CN114987667B - 一种运动平台和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动平台和运动平台的控制方法，涉及自动控制技术领域。采用两轮对向分布结构，利用倒立摆控制系统、控制力矩陀螺、虚拟平衡重系统的叠加协同控制。针对现有地面移动平台，在现有技术下，无法“同时完全”实现如下三个特性：可移动性(平顺跟随轨迹的能力，通过能力，越障能力)；灵活性(一般用转弯半径体现，转弯半径越小越灵活)；平稳性(抗干扰能力，是否容易倾覆)；这三个特性是“互斥的”，某一项或者两项特性的满足，势必导致第三个特性的削弱。本发明可同时实现自主可移动性、灵活性、稳定性。同时，通过将移动控制与应用解耦，能根据不同的应用需求进行适应性开发。

Description

一种运动平台和控制方法

技术领域

本发明实施例涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种运动平台和控制方法。

背景技术

一种能够自平衡的、稳定的、灵活的、可自主移动的平台，作为当今社会服务类移动设备的基础，可以满足人们在生活和工作中的诸多场景的需求。

现有的地面移动平台/底盘，利用现有技术，无法“同时完全”实现如下三个特性：可移动性(平顺跟随轨迹的能力，通过能力，越障能力)；灵活性(一般用转弯半径体现，转弯半径越小越灵活)；平稳性(抗干扰能力，是否容易倾覆)。原因是这三个特性是“互斥的”，某一项或者两项特性满足，势必导致第三个特性的削弱。例如两轮方案，它具有“灵活性”，但“稳定性”和“可移动性”不足，无法依靠自身抵抗外部干扰；又如四轮方案，它具有“可移动性”和“平稳性”。对应的，不具有“灵活性”，因为转弯半径一般大于车身。

Lit motors率先在二轮电动车上进行研究，它在车体内增加一对高速旋转的陀螺，通过陀螺的主动偏摆，进而提升二轮电动车的抗干扰能力，这一措施确实解决了二轮电动车稳定性差的问题，但其灵活性不足仍然限制了其使用场景，无法达到庭院级移动平台的要求，同时，对于持续抗干扰(控制力矩陀螺的“饱和现象”)能力，也没有进一步的措施。

因此，现有技术亟需一种同时具备“稳定性”、“可移动性”、“灵活性”的移动平台，来满足社会对承载及运输工具的使用需求。

发明内容

本发明提供一种运动平台和控制方法，以提供一种可移动性、灵活性、稳定性的运动平台和控制方法，在此特性基础上，通过运动控制层与应用层的解耦设计，可以根据不同领域的应用需求进行适应性开发，满足多场景、多用途的应用需求。

第一方面，本发明提供了一种运动平台，运动平台包括：车身系统、车轮系统、控制力矩陀螺CMGs、虚拟平衡重系统、控制系统、电源系统；

所述车身系统包括：基础框架；

所述车轮系统包括：对向分布的第一车轮和第二车轮，安装在所述第一车轮与第二车轮上的车轮轴承、伺服电机、伺服控制单元；

所述CMGs包括：2个及以上的力矩陀螺，及附属的高速电机、伺服电机及其控制单元；

所述电源系统包括：电池及连接线束；

所述控制系统包括：惯性导航单元、微控制单元及控制线路；

所述虚拟平衡重系统：由所述CMGs、电源系统、控制系统等重物组成的，承担平衡重作用的单元；

所述车轮系统通过车轮轴承连接在车身系统上；

所述虚拟平衡重系统通过带轴承的连杆连接在车身系统上，并能沿所述运动平台的行进方向水平运动，维持其组成各部件功能的正常运行。

第二方面，本发明提供了一种运动平台的控制方法，适用于任一实施例所述的运动平台，应用倒立摆控制算法、CMGs、虚拟平衡重协同控制，由所述控制系统执行，所述控制方法包括：

检测到平台重心偏斜时，通过倒立摆控制算法分别给出两个车轮的驱动信号，通过两个伺服电机分别同时驱动对应车轮运动，进而调整重心位置，使所述运动平台达到自平衡状态；

当所述运动平台由于承载导致当前重心位置与理论重心位置的偏差大于设定阈值，控制虚拟平衡重反向水平运动，以减小当前重心位置与理论重心位置的偏差，使平台达到自平衡；

当所述运动平台接收运动指令后，驱动虚拟平衡重水平运动，使所述运动平台的重心产生偏摆，该重心偏摆角度作为倒立摆系统驱动车轮运动的输入；

当虚拟平衡重已经达到运动极限，无法为所述运动平台提供所需的重心偏摆角度时，驱动CMGs输出力矩，所述力矩驱使平台重心进一步偏摆，进而使平台获得所需的加/减速度；

当识别运动信号时，通过倒立摆系统根据重心的偏摆角度及当前车速，计算出对应的车轮驱动信号，通过两个伺服电机分别驱动车轮运动，产生对应的加/减速度，车速的大小与重心偏摆角度相对应，遵循倒立摆控制逻辑；

当识别到转向信号时，通过倒立摆系统识别转向需求，分别控制两侧车轮运动，产生轮速差，实现转向动作；

当识别到所述运动平台受到内外部干扰，驱动CMGs偏摆产生力矩，所述力矩用于抵抗来自所述运动平台受到的内外部干扰力矩；

当识别到所述运动平台受到内外部干扰，且干扰需要虚拟平衡重抵抗时，驱动虚拟平衡重，使虚拟平衡重水平运动，所产生的力矩用来抵抗干扰；

当CMGs达到偏摆角阀值，驱动虚拟平衡重水平运动，进而产生重心偏摆，使所述运动平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使控制力矩陀螺被动偏摆回正；

当CMGs达到所述偏摆角阀值，且需要倒立摆系统提供CMGs的回正力矩时，通过调整重心偏摆角度与车速的对应关系，使所述运动平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。

第三方面，本发明提供了一种运动平台的控制方法，适用于任一实施例所述的运动平台，应用倒立摆控制算法与CMGs协同控制，由所述控制系统执行，所述控制方法包括：

检测到所述运动平台重心偏斜时，通过倒立摆控制算法分别给出两个车轮的驱动信号，通过两个伺服电机分别同时驱动对应车轮运动，进而调整重心位置，使所述运动平台达到自平衡状态；

当所述运动平台接收运动指令后，通过CMGs内部的驱动电机驱动转子偏摆产生力矩，进而使平台的重心产生偏摆，该重心偏摆角度作为倒立摆系统驱动车轮运动的输入；

当识别运动信号时，通过倒立摆系统根据重心的偏摆角度及当前车速，计算出对应的车轮驱动信号，通过两个伺服电机分别驱动车轮运动，产生对应的加/减速度，车速的大小与重心偏摆角度相对应，遵循倒立摆控制逻辑；

当识别到转向信号时，通过倒立摆系统识别转向需求，分别控制两侧车轮运动，产生轮速差，实现转向动作；

当识别到所述运动平台受到内外部干扰时，通过CMGs内部的驱动电机驱动高速旋转的转子偏摆，进而产生一个力矩，所述力矩用于抵抗来自所述运动平台受到的内外部干扰力矩；

当CMGs达到偏摆角阀值，通过调整重心偏摆角度与车速的对应关系，使平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：运动平台及其控制方法，通过倒立摆系统、控制力矩陀螺、虚拟平衡重系统的协同控制，可以实现一种能够可移动性强、长效系统稳定的、运动灵活适用各种狭小空间或复杂路况的移动平台；将平台的运动控制与上层的功能控制(应用控制)进行解耦，在将移动平台的根本特性(可移动、稳定、灵活)开发完成后，可以将该移动平台推广应用于各种需要释放人力的工业及生活领域，如工厂、商场、医院、封闭园区等等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种运动平台的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的运动平台的实物线条图；

图3是本发明实施例提供的运动平台的主视图；

图4是本发明实施例提供的运动平台的侧视图；

图5是本发明实施例提供的运动平台的控制方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的根据倒立摆控制算法驱动车轮的示意图；

图7是本发明实施例提供的根据倒立摆控制算法驱动车轮的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种运动平台的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的运动平台的实物线条图；

图10是本发明实施例提供的运动平台的主视图；

图11是本发明实施例提供的运动平台的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

图1是本发明实施例提供的一种运动平台的结构示意图，包括：车身系统、车轮系统、控制力矩陀螺CMGs、虚拟平衡重系统、控制系统、电源系统。图1左图为运动平台的主视图，图1右图为运动平台的侧视图。

具体的，车身系统包括：基础框架；

车轮系统包括：对向分布的第一车轮和第二车轮，安装在所述第一车轮与第二车轮上的车轮轴承、伺服电机(未画出)、伺服控制单元(未画出)；车轮系统通过车轮轴承连接在车身系统上。

所述CMGs包括：2个及以上的力矩陀螺，及附属的高速电机、伺服电机及其控制单元；

所述电源系统包括：电池及连接线束(未画出)；

所述控制系统包括：惯性导航单元、微控制单元及控制线路(未画出)；

所述虚拟平衡重系统：由所述CMGs、电源系统、控制系统等重物组成的，承担平衡重作用的单元；虚拟平衡重系统连接在车身系统上，并能沿所述运动平台的行进方向水平运动，维持其组成各部件功能的正常运行。

本实施例创造性地提出了“虚拟平衡重”系统，其是CMGs、电源系统、控制系统的组合，通过虚拟平衡重沿平台行进方向的运动，产生重力矩，从而实现变速、抗干扰，以及使得所述CMGs被动回正等功能。值得一提的，虚拟平衡重通过带轴承的连杆(但不限于平行四边形结构)或滑轨等方式连接在车身系统上，虚拟平衡重的运动是水平的，以保证虚拟平衡重各个组成部件不会产生旋转，维持其组成各部件功能的正常运行。为了方便描述虚拟平衡重的运动，定义了适用于该平台的坐标系，原点位置不限，X轴平行于平台前后移动方向，Y轴平行于车轮的轴向，Z轴垂直于X轴和Y轴，参见图1。虚拟平衡重在驱动单元的驱动下沿平台坐标系的X轴水平运动(φ1为虚拟平衡重绕Y轴的角度)。需要说明的是，虚拟平衡重不能绕Z轴运动。本发明中，虚拟平衡重的作用包括：调整所述运动平台重心(φ2为重心的偏斜角)，进而驱动倒立摆系统工作，实现自主移动功能；和/或，通过微小的摆动产生力矩，驱使CMGs回正，消除CMGs的饱和；和/或，通过虚拟平衡重的摆动产生力矩，用以抵抗运动平台受到的内外部的干扰。

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscopes，CMGs)，是航天器上常用的姿态调整执行器，原理是当给一个陀螺垂直于其旋转轴的扭矩时，会产生一个绕垂直于旋转轴且垂直于扭距轴的第三轴的力矩。CMGs可用于主动偏摆以产生抗干扰力矩，并可以在重力矩的作用下被动回正。采用两个或两个以上陀螺，可以相互抵消陀螺扭转产生的非抗干扰力矩。本发明实施例中，CMGs的作用包括抵抗内外部干扰，驱使所述运动平台的重心偏摆，使所述运动平台执行运动。

车轮系统的伺服控制单元分别单独控制第一轮与第二轮的运动，所述车轮系统采用倒立摆控制算法，倒立摆的控制算法包括：通过惯性导航单元检测平台实际重心与理论重心的位置偏差，通过分别控制第一轮与第二轮的运动，使实际重心与理论重心重合，达到站立平衡。通过车速与重心偏摆角度的对应关系，分别控制第一轮与第二轮的运动，使车速与重心偏摆角度达到倒立摆控制的平衡状态，达到运动平衡。倒立摆系统的作用是实现系统的自平衡，以及执行期望的运动意图，驱使CMGs回正。

所述控制系统中的惯性导航单元，用于检测平台的姿态和位置，可用于路径导航和干扰检测。

所述控制系统中的微控制单元，用于倒立摆系统、控制力矩陀螺、虚拟平衡重系统的叠加协同控制。通过对车速信号、车身姿态信号、重心位置、运动意图等信息，综合处理以得出控制力矩陀螺的主动偏摆信号、第一轮与第二轮的驱动信号、虚拟平衡重的水平运动信号，进而控制三系统，保证平台的性能实现。

本发明实施例提供的运动平台具有以下效果：

1.可移动性强：只需要运动输入信号，不需要人力配合，平台可实现跟随运动，且能够保持平台以上的平稳舒适，对载人及运输非常友好。

2.长效稳定：利用CMGs抵抗内外部干扰，维持系统稳定，即使长时间运作，抗干扰系统具备自我“回正”能力，不会因CMGs的饱和而出现突然的稳定性失效。

3.运动灵活：体积小且可以实现转弯半径为0，适用公开路面也适用庭院级室内使用，重心可以调整，适用多种复杂路况如坡路、不平路面等。

4.实用性：将系统内的CMGs、电源系统、控制系统等重量单元组成虚拟平衡重，在实现重力控制功能的同时，不增加额外的质量单元，减少系统重量和体积，提高平台的实用性。

5.安全性：在稳定性、运动控制等安全相关的功能上，通过三个系统的协同，实现功能的双系统备份，当其中一个系统或零件失效时，由备份系统接管并执行功能，不会出现突然的功能失效，大大提高了系统的使用安全等级。

实施例二

图2是本发明实施例提供的运动平台的实物线条图，图3是本发明实施例提供的运动平台的主视图，图4是本发明实施例提供的侧视图。

结合图2～图4，所述车身系统的基础框架的两端分别连接第一车轮的轴承和第二车轮的轴承；在基础框架上通过连接杆悬挂虚拟平衡重系统，通过悬挂的方式，可以使虚拟平衡重水平运动。本实施例不限定控制力矩陀螺、电源系统、控制系统组成虚拟平衡重，还可以包含其他重量单元，也不限定各个组成部件的位置关系。

一种虚拟平衡重的结构为，所述虚拟平衡重由CMGs、电源系统和控制系统组成，在控制力矩陀螺外框架上设计支架，用以承载电电气及控制单元。

一种虚拟平衡重的悬挂结构为，基础框架包括沿Y轴平行分布的至少两个支撑杆，所述连接杆的数量为至少3个，每个连接杆的一端连接所述支撑杆，另一端连接控制力矩陀螺外框架。3个连接杆的两端共有6个轴承，支撑杆、连接杆和控制力矩陀螺外框架构成平行四边形，因为平行四边形的结构特性，虚拟平衡重内部各个模块仍然保持水平，各个模块不会绕其自身的Y轴、Z轴转动。

可选的，该平台还包括对外接口和/或承载平台。对外接口和/或承载平台可以是一个实际的载物平台、也可以是一种特殊的安装接口，其特征在于可以根据应用层的需求进行结构调整，如座椅安装接口、螺接接口、控制信号输入接口等。在具体应用场景中，可以对对外接口或承载平台做如下改进，以实现不同功能的产品。

1)承载平台上加上器具，可以作为物流小车。

2)加装机械臂，作为机器人底盘。

3)加装座椅，作为代步工具。

4)加装传感器，作为特殊检测/巡检系统。

实施例三

图5是本发明实施例提供的运动平台的控制方法的流程图，适用于实施例一和实施例二提供的任一运动平台，该方法适用于对倒立摆系统、CMGs、虚拟平衡重系统叠加协同控制。由所述控制系统执行，该方法具体包括以下步骤：

S110、检测到平台重心偏斜时，通过倒立摆控制算法分别给出两个车轮的驱动信号，通过两个伺服电机分别同时驱动对应车轮运动，进而调整重心位置，使所述运动平台达到自平衡状态。

运动平台的电源开启，控制系统通过惯性导航单元检测车身在六个自由度的空间姿态，当识别到重心位置偏斜时，通过倒立摆控制算法计算出车轮驱动指令，通过车轮驱动电机驱动车轮来调整车轮的运动，最终实现平台达到自平衡状态。

倒立摆的控制逻辑就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当重心到达期望的位置后，即本实施例中重心位置达到平台直立时的理论重心位置，平台能通过自调节而保持平衡状态。

图6是本发明实施例提供的根据倒立摆控制算法驱动车轮的示意图。左图为初始状态，平台重心位置偏斜，处于非平衡状态。中图为通过倒立摆控制算法驱动车轮向右运动，产生了非0的速度和加速度，重心向平台中心位置移动。右图为自平衡状态。

S120、当所述运动平台由于承载导致当前重心位置与理论重心位置的偏差大于设定阈值，控制虚拟平衡重反向水平运动，以减小当前重心位置与理论重心位置的偏差，使平台达到自平衡。

设定阈值可以通过试验标定得到。当实际重心与理论重心偏差较大，倒立摆系统需要移动一定距离才能使平台达到自平衡，这是非期望的移动，应该避免。同时，利用虚拟平衡重调整重心，不影响平台承载平台的角度，避免了平台因重心调整而产生的偏斜，这对用户使用是非常友好的。

示例性的，假设当前重心位置位于理论重心位置的左侧，则驱动虚拟平衡重向右运动。其中，虚拟平衡重的偏摆角度，由当前重心位置与理论重心位置的偏移量决定。

S130、当所述运动平台接收运动指令后，驱动虚拟平衡重水平运动，使所述运动平台的重心产生偏摆，该重心偏摆角度作为倒立摆系统驱动车轮运动的输入。

运动指令的来源可以是一个路点信号，经过控制系统的分析，转化成为虚拟平衡重的驱动指令，根据控制系统对平台的运行速度的需求，相应的驱动虚拟平衡重水平运动，产生一个平台重心的偏摆，进而驱动倒立摆系统执行对车轮的驱动动作，产生车轮驱动扭矩。

S140、当虚拟平衡重已经达到运动极限，无法为所述运动平台提供所需的重心偏摆角度时，驱动CMGs输出力矩，所述力矩可以驱使平台重心进一步偏摆，进而使平台获得所需的加/减速度。

虚拟平衡重的水平运动是有极限位置的，在平台需要较大速度，而虚拟平衡重即使运动到极限位置仍然不能提供足够的车速时，此时CMGs通过驱动其内部电机，使陀螺偏摆而产生力矩，使平台重心的进一步偏摆，进而通过倒立摆系统产生额外的车轮驱动扭矩以满足期望的运行速度。

S150、当识别运动信号时，通过倒立摆系统根据重心的偏摆角度及当前车速，计算出对应的车轮驱动信号，通过两个伺服电机分别驱动车轮运动，产生对应的加/减速度，车速的大小与重心偏摆角度相对应，遵循倒立摆控制逻辑。

图7是本发明实施例提供的根据倒立摆控制算法驱动车轮的示意图。左图为平衡状态，平台静止(速度v和加速度a均为0)且重心位置居中。中图为重心位置向右偏摆，产生偏摆角度φ，在倒立摆控制算法的作用下驱动车轮向右运动，产生了非0的速度和加速度。右图为当车速与重心偏摆角度达到倒立摆控制逻辑中的平衡状态时，速度达到期望值，加速度为0。实际上，平台重心是在不断调整的，因此平台的速度和加速度也是随着平台重心的偏摆角度的变化而不断变化的。

当识别到转向信号时，倒立摆系统会识别转向需求，分别控制两侧车轮运动，产生轮速差，实现转向动作；例如，当平台接收到原地右转的指令，通过给左轮一个向前的驱动、给右轮一个向后的驱动，驱动力矩大小相同，则平台实现原地右转。

S160、当识别到所述运动平台受到内外部干扰，驱动CMGs偏摆产生力矩，所述力矩用于抵抗来自所述运动平台受到的内外部干扰力矩。

通过惯性导航单元检测到平台受到的内外部干扰(内部干扰：如平台上人或者机械手臂的摆动，抓取重物等，外部扰动：如突然的外力、不平整的路面等，会导致系统重心位置出现非预期的变化均视为干扰)，控制系统给出控制力矩陀螺偏摆的指令，驱动CMGs内部的偏摆电机，使控制力矩陀螺偏摆(控制力矩陀螺偏摆指的是：控制力矩陀螺内部高速转动的转子，沿着垂直于其旋转轴的第二轴转动，偏摆指控制旋转轴的角速度和持续时间，进而产生一个绕坐标系内第三轴转动的力矩)，产生抗干扰的力矩，维持平台的稳定。

S170、当识别到所述运动平台受到内外部干扰，且该干扰需要虚拟平衡重抵抗时，通过驱动虚拟平衡重，使虚拟平衡重水平运动，所产生的力矩用来抵抗干扰。

因控制力矩陀螺的偏摆会在第三轴上产生力矩，那么当控制力矩陀螺偏摆达到90°时，其产生力矩的方向将发生改变，无法再提供平台所需的抵抗干扰的力矩，因此，控制力矩陀螺的阀值应小于90°，当控制力矩达到阀值时，其不再继续工作。

此时如平台需要抵抗干扰的力矩，则会有控制系统驱动虚拟平衡重运动，产生抵抗干扰的力矩。

S180、当CMGs达到偏摆角阀值，驱动虚拟平衡重水平运动，进而产生重心偏摆，使所述运动平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。

其中，阀值＜90°，水平运动的角度例如为10°，该角度需要在实际匹配中进行设定。

S190、当CMGs达到所述偏摆角阀值，且需要倒立摆系统提供CMGs的回正力矩时，通过调整重心偏摆角度与车速的对应关系，使所述运动平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。

在具体实施方式中，虚拟平衡重正处于其他任务执行或处于摆动极限状态时需要倒立摆系统提供CMGs的回正力矩。

值得一提的，虚拟平衡重是由平台内的CMGs、电源系统、控制系统等重量单元组成，并未增加平台整体重量与体积。所述虚拟平衡重可以沿着平台的行进方向水平运动，在不影响其组成单元的功能前提下，实现平衡重控制功能。通过上述三系统的协同控制方法，可以实现“灵活性”“稳定性”“可移动性”的运动平台。

综合上述步骤，本发明在两轮对向分布结构的基础上，首先满足了平台的“灵活性”，又利用倒立摆系统、控制力矩陀螺、虚拟平衡重系统的叠加协同控制，从三个方面解决“稳定性”和“可移动性”：其一：解决自平衡问题；其二：解决实时“追随”运动意图的问题；其三：解决抵抗内外部平稳干扰的问题。

实施例四

图8是本发明实施例提供的一种运动平台的结构示意图，包括：控制力矩陀螺(CMGs)、车身系统、车轮系统、控制系统和电源系统(包括电池附件)。

具体的，车身系统包括：基础框架。

车轮系统包括：对向分布的第一车轮和第二车轮，安装在所述第一车轮与第二车轮上的车轮轴承、伺服电机(未画出)、伺服控制单元(未画出)；车轮系统通过车轮轴承连接在车身系统上。

所述CMGs设置在CMGs外框架内，包括：2个及以上的力矩陀螺，及附属的高速电机、伺服电机及其控制单元。对CMGs结构的描述可参见实施例一，本实施例中，CMGs的作用是抵抗内外部干扰，以及驱使平台重心偏摆，使平台执行运动。

所述电源系统包括：电池附件及连接线束(未画出)。

所述控制系统包括：惯性导航单元、微控制单元及控制线路(未画出)。

车轮系统的伺服控制单元分别单独控制第一轮与第二轮的运动，所述车轮系统采用倒立摆控制算法，作用是实现系统的自平衡、执行期望的运动意图以及驱使CMGs回正。

控制系统中的惯性导航单元，用于检测平台的姿态和位置，可用于路径导航和干扰检测。

控制系统中的微控制单元用于对倒立摆系统和控制力矩陀螺叠加协同控制。需要说明的是，图9与图2的不同之处在于，图2的连接杆两端是旋转轴承，从而可以利用虚拟平衡重的偏摆进行动静态控制，而图9的连接杆两端是固定连接，不能偏摆。

本发明实施案例在实施案例一、实施案例二的基础上，取消虚拟平衡重系统的控制，而是通过控制力矩陀螺与倒立摆系统的协同控制，可以实现可跟随意图移动的、自平衡的、长效稳定的、灵活的运动平台，适合非预见性干扰少、运行场景较固定的使用环境。

图9是本发明实施例提供的运动平台的实物线条图，图10是本发明实施例提供的运动平台的主视图。

结合图8～图10，所述车身系统的基础框架的两端分别连接第一车轮的轴承和第二车轮的轴承；在基础框架上连接CMGs。本实施例不限定CMGs与基础框架的连接方式。

一种CMGs与基础框架的连接结构为，基础框架包括轴向分布的至少两个支撑杆，所述连接杆的数量为至少3个，每个连接杆的一端连接所述支撑杆，另一端连接控制力矩陀螺外框架。

可选的，该平台还包括对外接口和/或承载平台。对外接口和/或承载平台可以是一个实际的载物平台、也可以是一种特殊的安装接口，其特征在于可以根据应用层的需求进行结构调整，如座椅安装接口、螺接接口、控制信号输入接口等。

在具体应用场景中，可以对对外接口或承载平台做如下改进，以实现不同功能的产品。

1)承载平台上加上器具，可以作为物流小车。

2)加装机械臂，作为机器人底盘。

3)加装座椅，作为代步工具。

4)加装传感器，作为特殊检测/巡检系统。

实施例五

图11是本发明实施例提供的运动平台的控制方法的流程图，适用于实施例五提供的运动平台，该方法适用于对倒立摆系统、控制力矩陀螺叠加协同控制。本方法由控制系统执行，该方法具体包括以下步骤：

S210、检测到所述运动平台重心偏斜时，通过倒立摆控制算法分别给出两个车轮的驱动信号，通过两个伺服电机分别同时驱动对应车轮运动，进而调整重心位置，使所述运动平台达到自平衡状态。

运动平台的电源开启，控制系统通过惯性导航单元检测车身在六个自由度的空间姿态，当识别到重心位置偏斜时，通过倒立摆控制算法计算出车轮驱动指令，通过车轮驱动电机驱动车轮来调整车轮的运动，最终实现平台达到自平衡状态。

倒立摆的控制逻辑就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当重心到达期望的位置后，即本实施例中重心位置达到平台直立时的理论重心位置，平台能通过自调节而保持平衡状态。具体参见图6，此处不再赘述。

S220、当所述运动平台接收运动指令后，通过CMGs内部的驱动电机驱动转子偏摆产生力矩，进而使平台的重心产生偏摆，该重心偏摆角度作为倒立摆系统驱动车轮运动的输入。

运动指令的来源可以是一个路点信号，经过控制系统的分析，转化成为控制力矩陀螺的驱动指令，根据控制系统对平台的运行速度的需求，相应的驱动控制力矩陀螺内部的陀螺偏摆，产生一个使平台重心的偏摆的力矩，驱使平台重心偏摆，进而驱动倒立摆系统执行对车轮的驱动动作，产生车轮驱动扭矩。

S230、当识别运动信号时，通过倒立摆系统根据重心的偏摆角度及当前车速，计算出对应的车轮驱动信号，通过两个伺服电机分别驱动车轮运动，产生对应的加/减速度，车速的大小与重心偏摆角度相对应，遵循倒立摆控制逻辑。

具体参见图7，此处不再赘述。

S240、当识别到转向信号时，通过倒立摆系统识别转向需求，分别控制两侧车轮运动，产生轮速差，实现转向动作。

例如，当平台接收到原地右转的指令，通过给左轮一个向前的驱动、给右轮一个向后的驱动，驱动力矩大小相同，则平台实现原地右转；

S250、当识别到所述运动平台受到内外部干扰时，通过CMGs内部的驱动电机驱动高速旋转的转子偏摆，进而产生一个力矩，所述力矩用于抵抗来自所述运动平台受到的内外部干扰力矩。

通过惯性导航单元检测到平台内外部干扰(内部干扰：如平台上人或者机械手臂的摆动，抓取重物等，外部扰动：如突然的外力、不平整的路面等，会导致系统重心位置出现非预期的变化均视为干扰)，控制系统会给出CMGs偏摆的指令，驱动CMGs内部的偏摆电机，使陀螺偏摆(CMGs偏摆指的是：CMGs内部高速转动的转子，沿着垂直于其旋转轴的第二轴转动，偏摆指控制旋转轴的角速度和持续时间，进而产生一个绕坐标系内第三轴转动的力矩)，产生抗干扰的力矩，维持平台的稳定。

S260、当CMGs达到偏摆角阀值，通过调整重心偏摆角度与车速的对应关系，使平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。

其中，偏摆角阀值＜90°。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：运动平台及其控制方法，通过倒立摆系统、控制力矩陀螺协同控制，可以实现一种能够可移动性强、长效系统稳定的、运动灵活适用各种狭小空间或复杂路况的移动平台；将平台的运动控制与上层的功能控制(应用控制)进行解耦，在将移动平台的根本特性(可移动、稳定、灵活)开发完成后，可以将该移动平台推广应用于各种需要释放人力的工业及生活领域，如工厂、商场、医院、封闭园区等等。

本发明的进一步有益效果在于：

1.可移动性强：只需要运动输入信号，不需要人力配合，平台可实现跟随运动，且能够保持平台以上的平稳舒适，对载人及运输非常友好；

2.长效稳定：利用CMGs抵抗内外部干扰，维持系统稳定，即使长时间运作，抗干扰系统具备自我“回正”能力，不会因CMGs的饱和而出现突然的稳定性失效；

3.运动灵活：体积小且可以实现转弯半径为0，适用公开路面也适用庭院级室内使用，重心可以调整，适用多种复杂路况如坡路、不平路面等。

4.实用性：将系统内的CMGs、电源系统、控制系统等重量单元组成虚拟平衡重，在实现重力控制功能的同时，不增加额外的质量单元，减少系统重量和体积，提高平台的实用性

5.安全性：在稳定性、运动控制等安全相关的功能上，通过三个系统的协同，实现功能实现的双系统备份，当其中一个系统或零件失效时，由备份系统接管并执行功能，不会出现突然的功能失效，大大提高了系统的使用安全等级。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种运动平台，其特征在于，所述运动平台包括：车身系统、车轮系统、控制力矩陀螺CMGs、虚拟平衡重系统、控制系统、电源系统；

所述车身系统包括：基础框架；

所述车轮系统包括：对向分布的第一车轮和第二车轮，安装在所述第一车轮与第二车轮上的车轮轴承、伺服电机、伺服控制单元；

所述CMGs包括：2个及以上的力矩陀螺，及附属的高速电机、伺服电机及其控制单元；

所述电源系统包括：电池及连接线束；

所述控制系统包括：惯性导航单元、微控制单元及控制线路；

所述虚拟平衡重系统：由所述CMGs、电源系统、控制系统组成的，承担平衡重作用的单元；

所述车轮系统通过车轮轴承连接在车身系统上；

所述虚拟平衡重系统连接在车身系统上，并能沿所述运动平台的行进方向水平运动，维持其组成各部件功能的正常运行，

所述车身系统的基础框架的两端分别连接第一车轮的轴承和第二车轮的轴承；在基础框架上通过连接杆悬挂虚拟平衡重系统，通过悬挂的方式，可以使虚拟平衡重水平运动。

2.根据权利要求1所述运动平台，其特征在于，采用两轮对向分布结构，采用倒立摆控制系统、CMGs、虚拟平衡重系统的叠加协同控制，使所述运动平台具备自主跟随移动能力、自平衡能力、稳定健壮性和灵活性特性。

3.根据权利要求1所述运动平台，其特征在于，所述车轮系统的伺服控制单元分别单独控制第一轮与第二轮的运动，所述车轮系统采用倒立摆控制算法；

倒立摆系统的作用是实现系统的自平衡，以及执行期望的运动意图，驱使CMGs回正。

4.根据权利要求1所述运动平台，其特征在于，所述CMGs的作用包括抵抗内外部干扰，驱使所述运动平台的重心偏摆，使所述运动平台执行运动。

5.根据权利要求1所述运动平台，其特征在于，所述虚拟平衡重的作用包括：

调整所述运动平台重心，进而驱动倒立摆系统工作，实现自主移动功能；和/或，

通过微小的摆动产生力矩，驱使CMGs回正，消除CMGs的饱和；和/或，

通过虚拟平衡重的摆动产生力矩，用以抵抗运动平台内外部的干扰。

6.一种运动平台的控制方法，其特征在于，适用于权利要求1-5任一项所述的运动平台，应用倒立摆控制算法、CMGs、虚拟平衡重协同控制，由所述控制系统执行，所述控制方法包括：

检测到平台重心偏斜时，通过倒立摆控制算法分别给出两个车轮的驱动信号，通过两个伺服电机分别同时驱动对应车轮运动，进而调整重心位置，使所述运动平台达到自平衡状态；

当所述运动平台由于承载导致当前重心位置与理论重心位置的偏差大于设定阈值，控制虚拟平衡重反向水平运动，以减小当前重心位置与理论重心位置的偏差，使平台达到自平衡；

当所述运动平台接收运动指令后，驱动虚拟平衡重水平运动，使所述运动平台的重心产生偏摆，该重心偏摆角度作为倒立摆系统驱动车轮运动的输入；

当虚拟平衡重已经达到运动极限，无法为所述运动平台提供所需的重心偏摆角度时，驱动CMGs输出力矩，所述力矩驱使平台重心进一步偏摆，进而使平台获得所需的加/减速度；

当识别运动信号时，通过倒立摆系统根据重心的偏摆角度及当前车速，计算出对应的车轮驱动信号，通过两个伺服电机分别驱动车轮运动，产生对应的加/减速度，车速的大小与重心偏摆角度相对应，遵循倒立摆控制逻辑；

当识别到转向信号时，通过倒立摆系统识别转向需求，分别控制两侧车轮运动，产生轮速差，实现转向动作；

当识别到所述运动平台受到内外部干扰，驱动CMGs偏摆产生力矩，所述力矩用于抵抗来自所述运动平台受到的内外部干扰力矩；

当识别到所述运动平台受到内外部干扰，且干扰需要虚拟平衡重抵抗时，驱动虚拟平衡重，使虚拟平衡重水平运动，所产生的力矩用来抵抗干扰；

当CMGs达到偏摆角阀值，驱动虚拟平衡重水平运动，进而产生重心偏摆，使所述运动平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使控制力矩陀螺被动偏摆回正；

当CMGs达到所述偏摆角阀值，且需要倒立摆系统提供CMGs的回正力矩时，通过调整重心偏摆角度与车速的对应关系，使所述运动平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。

7.一种运动平台的控制方法，其特征在于，所述运动平台包括：车身系统、车轮系统、控制力矩陀螺CMGs、控制系统和电源系统；

所述车身系统包括：基础框架；

所述车轮系统包括：对向分布的第一车轮和第二车轮，安装在所述第一车轮与第二车轮上的车轮轴承、伺服电机、伺服控制单元；

所述CMGs包括：2个及以上的力矩陀螺，及附属的高速电机、伺服电机及其控制单元；

所述电源系统包括：电池及连接线束；

所述控制系统包括：惯性导航单元、微控制单元及控制线路；

所述车轮系统通过车轮轴承连接在车身系统上，

所述控制方法应用倒立摆控制算法与CMGs协同控制，由所述控制系统执行，所述控制方法包括：

检测到所述运动平台重心偏斜时，通过倒立摆控制算法分别给出两个车轮的驱动信号，通过两个伺服电机分别同时驱动对应车轮运动，进而调整重心位置，使所述运动平台达到自平衡状态；

当所述运动平台接收运动指令后，通过CMGs内部的驱动电机驱动转子偏摆产生力矩，进而使平台的重心产生偏摆，该重心偏摆角度作为倒立摆系统驱动车轮运动的输入；

当识别运动信号时，通过倒立摆系统根据重心的偏摆角度及当前车速，计算出对应的车轮驱动信号，通过两个伺服电机分别驱动车轮运动，产生对应的加/减速度，车速的大小与重心偏摆角度相对应，遵循倒立摆控制逻辑；

当识别到转向信号时，通过倒立摆系统识别转向需求，分别控制两侧车轮运动，产生轮速差，实现转向动作；

当识别到所述运动平台受到内外部干扰时，通过CMGs内部的驱动电机驱动高速旋转的转子偏摆，进而产生一个力矩，所述力矩用于抵抗来自所述运动平台受到的内外部干扰力矩；

当CMGs达到偏摆角阀值，通过调整重心偏摆角度与车速的对应关系，使平台处于非平衡状态，在此非平衡状态下产生的重力矩，用来驱使陀螺被动偏摆回正。