[发明专利]立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法

说明书

本发明涉及立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法，在立方体框架中集成所有部件，各部件之间的连接线或控制线均不伸出于立方体框架；由立方体角度PID控制器和惯性轮角速度自适应模糊PID控制器组成立方体惯性轮角速度及机体角度串级控制系统；外环控制器采用模糊自适应整定PID控制器，测得的惯性轮角速度值应用限幅滤波法得到惯性轮角速度值作为外环的反馈输入，输入惯性轮角速度自适应模糊PID控制器；将陀螺仪和加速度计测得的立方体倾斜角度数据经过一阶卡尔曼滤波姿态角度融合得到的机体角度值作为内环控制的反馈。能够解决目前立方体机器人系统完整性和集成度不高、电路集成度低及平衡控制自适应能力差、控制模型精度不够的问题。

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤其涉及一种立方体机器人及其模糊PID控制系统，以及控制系统的设计方法和应用。

背景技术

立方体机器人是一种结构和运动方式独特的自平衡机器人，以立方体棱边或者角点为支点实现立方体自平衡。立方体机器人通过内置的刹车装置，实现立方体全向翻转灵活运动。多个立方体机器人组装后可用于桥梁修补、太空探索等领域，具有重要的理论价值和广阔的发展前景。

现有立方体系统外设模块较为分散、部分电子器件位于立方体框架外，如，一些带有飞轮的立方体倒立摆系统，其供电模块、电机驱动模块均需要有排线引出到立方体框架外部，集中程度不高，特别是移动使用的时候控制不便。由于自平衡立方体外观体积及机载系统的限制，其系统设计需综合考虑整体性及实时性要求。此外，立方体机器人是一个复杂的非线性系统，目前常用的对立方体机器人动力学建模，分别采用拉格朗日方法和凯恩方法对自平衡立方体进行动力学模型，也有基于飞轮的单级倒立摆系统的建模与仿真方法，应用二次型最优调节器LQR实现对飞轮倒立摆系统的平衡控制。由于立方体机器人是一种非线性、强耦合、多变量的复杂系统，获取其精确的数学模型难度较大，此外立方体系统易受到外界的干扰，因此经典控制方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前立方体机器人系统完整性和集成度不高、电路集成度低及平衡控制自适应能力差、精度不够的问题，提供一种内部全集成的立方体机器人；同时在此基础上，针对目前立方体机器人动力学模型基于经典控制方法建模不够精确的局限性，提供一种立方体机器人模糊PID控制系统及控制方法，以及控制系统的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种内部全集成的立方体机器人，包括立方体框架；其特征在于：在立方体框架中集成所有部件，各部件之间的连接线或控制线均不伸出于立方体框架，所述部件至少包括：

通过电机固定件悬空固定在立方体框架其中一面中心的电机，

通过法兰联轴器固定在电机的轴上的惯性轮，所述惯性轮平行于所述立方体框架其中一面；

固定于立方体框架另一面上的电控板，电控板包括了姿态传感器、单片机控制板和直流电机伺服驱动器；

固定于立方体框架第三面上的电池固定盒，电池固定盒中容纳电池，电池与所述电控板电连接。

进一步的，惯性轮设置于电机固定件与所述立方体框架其中一面之间。

进一步的，立方体框架六面由位于棱角处的八个直角连接件固定。