[发明专利]一种六旋翼球形机器人的控制系统及其轨迹控制方法

说明书

本发明公开了一种六旋翼球形机器人的控制系统，其特征在于，包括位置控制器、姿态控制器、控制分配器、球形滚动动力学模块；所述位置控制器，输入轨迹航点和传感器接收到的当前位置信息,计算偏差，输出期望滚动角速度，并传递给姿态控制器；所述姿态控制器，输入期望滚动角速度与传感器测得的角速度数据，计算角速度偏差，输出期望驱动力矩，并传递给控制分配器；所述控制分配器，根据六旋翼球形机器人中电机布置的空间构型，以及当前的姿态信息，将期望驱动力矩解算为电机的控制信号。本发明采用串级PID算法进行轨迹控制，解决了六旋翼球形机器人的控制问题，并实现了球形机器人复杂的轨迹追踪和精确稳定的控制。

技术领域

本发明涉及球形机器人控制技术领域，尤其是一种六旋翼球形机器人的控制系统及其速度位置控制方法。

背景技术

现有的球形机器人控制技术大都基于重力摆式和驱动轮式的驱动方式，并且采用直线滚动和偏航转向解耦的控制策略，存在对于复杂的轨迹追踪问题，难以实现精确稳定的控制效果。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种六旋翼球形机器人的控制系统及其轨迹控制方法，实现六旋翼球形机器人精确稳定的控制。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种六旋翼球形机器人的控制系统，包括位置控制器、姿态控制器、控制分配器；

所述位置控制器，输入轨迹航点和传感器接收到的当前位置信息,计算偏差，输出期望滚动角速度，并传递给姿态控制器；

所述姿态控制器，输入期望滚动角速度与传感器测得的角速度数据，计算角速度偏差，输出期望驱动力矩，并传递给控制分配器；

所述控制分配器，根据六旋翼球形机器人中电机布置的空间构型，以及当前的姿态信息，将期望驱动力矩解算为电机的控制信号。

作为优选，还包括球形滚动动力学模块，所述球形滚动动力学模块，分别向位置控制器、姿态控制器、控制分配器，输出相应的传感器测量得到的位置信息、角速度数据、姿态信息。

本发明还公开了一种六旋翼球形机器人的轨迹控制方法，基于六旋翼球形机器人的控制系统，采用串级PID算法进行轨迹控制。

作为优选，所述串级PID算法具体包括以下步骤：

步骤一：获取轨迹航点与位置传感器获得的位置信息作为一级PID输入，利用PID算法进行积分分离，得到期望滚动角速度；

步骤二：将期望滚动角速度与测得的角速度数据作为第二级PID的输入，计算角速度偏差，输出期望驱动力矩；

步骤三：根据六旋翼球形机器人中电机布置的空间构型及检测的当前姿态信息，将期望驱动力矩解算为六个电机的控制信号。

作为优选，所述步骤一中位置传感器获得的位置信息依次经过均值滤波处理和卡尔曼滤波处理。

作为优选，所述步骤一中利用PID算法进行积分分离，得到期望滚动角速度的方法：利用比例系数与输入值求导值的乘积取代原来的微分，并对偏差微分进行积分分离，基于计算结果输出期望滚动角速度。

作为优选，期望滚动角速度的计算公式为：

其中，K_p为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数，e为期望位置与实际位置的偏差值，为期望滚动角速度。

作为优选，所述步骤二具体包括：通过PI控制器构造惯性坐标系下描述的角速度控制信号