(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010427354.X
(22)申请日 2020.05.19
(71)申请人 腾讯科技（深圳）有限公司
地址 518057 广东省深圳市南山区高新区
科技中一路腾讯大厦35层
(72)发明人 王帅 崔磊磊 张正友
(74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所
11105
代理人 王娟
(51)Int.Cl.
B62K 11/00(2013.01)
B62M 6/45(2010.01)
(54)发明名称自平衡机器人控制方法、系统、自平衡机器人及介质(57)摘要公开了一种自平衡机器人控制方法、系统、自平衡机器人及介质，自平衡机器人包括前把及前把控制器，前把控制器为前把提供转向转矩，且该方法包括：获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；基于目标自平衡状 态和当前自平衡状态，根据非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及通过前把控制器将所述转向转矩提供给该前把，其中，目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；非线性函数基于自平衡机器人的质量和质心位置、自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、自平衡机器人的转动惯量、自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平 衡侧倾角所构造。权利要求书4页 说明书23页 附图7页CN 111547177 A 2020.08.18
C N 111547177
A
1.一种自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩，且该方法包括：
获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；
基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及
通过所述前把控制器，将所述转向转矩提供给该前把，
其中，所述目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，所述当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；
所述非线性函数为基于所述自平衡机器人的质量和质心位置、所述自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、所述自平衡机器人的转动惯量、以及所述自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平衡侧倾角所构造的非线性函数。
2.如权利要求1所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括主体部分及动量轮，所述主体部分包括所述前把及所述前把控制器，
所述自平衡机器人的质量和质心位置包括所述自平衡机器人的主体部分的质量和质心位置、以及所述自平衡机器人的动量轮的质量和质心位置；以及
所述自平衡机器人的转动惯量包括所述自平衡机器人的主体部分的转动惯量、以及所述自平衡机器人的动量轮的转动惯量。
3.如权利要求2所述的自平衡机器人控制方法，
其中，基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态根据非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩包括：
计算该自平衡机器人的脚轮效应函数；
根据该脚轮效应函数对该目标自平衡侧倾角进行校正处理，生成校正后的目标自平衡侧倾角；
基于该校正后的目标自平衡侧倾角和当前自平衡侧倾角，根据所述非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩。
4.如权利要求3所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述校正后的目标自平衡侧倾角为：
其中，θd为校正后的目标自平衡侧倾角，θeq为目标自平衡侧倾角，τΔ(θeq，δf)为自平衡机器人脚轮效应引起的误差量，δf为自平衡机器人的有效转向角，k p为正数，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量。
5.如权利要求2或3所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人的主体部分包括前轮、后轮和后轮控制器，所述后轮控制器用于向所述后轮提供驱动转矩，所述自平衡机器人控制方法还包括：
基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人后轮的驱动转矩；以及
通过所述后轮控制器，将所述驱动转矩提供给该后轮。
6.如权利要求5所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述非线性函数包括：
其中，uσ为自平衡机器人运行圆轨迹的曲率对时间的导数，u v为施加到自平衡机器人后轮的驱动转矩，B-1为矩阵B的逆矩阵，G＝[-1，1]T，v1为第一速度参量，v2为第二速度参量，且其中，矩阵B的表达式为：
矩阵M l的表达式为：
第一速度参量v1及第二速度参量v2的表达式为：
v2＝-k d2(V-V d)，
其中，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，m为自平衡机器人的总质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量，σ为该自平衡机器人圆运动的曲率，θeq为自平衡机器人的目标自平衡侧倾角，θ为自平衡机器人的当前自平衡侧倾角，为自平衡机器人当前侧倾角速度，b为自平衡机器人车架的后轮与地面的接触点沿第一特定方向距该自平衡机器人主体部分的质心在该第一特定方向上的投影点的水平距离，V d为自平衡机器人的目标运动速度，V为该自平衡机器人的当前运动速度，k p，k d1及k d2为正数。
7.如权利要求2所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述非线性函数是基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性而确定的，其中，所述非线性函数的确定包括：基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性，构造该自平衡机器人的非线性动态模型；
基于所述非线性动态模型，生成用于该前把控制的简化非线性动态模型；
基于所述简化非线性动态模型，确定用于该自平衡机器人自平衡控制的非线性函数。
8.如权利要求7所述的自平衡机器人控制方法，其中，基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性，构造该自平衡机器人的非线性动态模型包括：
根据该自平衡机器人的动力学特性，构造该自平衡机器人的动力学模型；
根据该自平衡机器人的平移运动特性，得到该自平衡机器人的平移运动特征模型；
根据所述平移运动特征模型和该动力学模型，生成该自平衡机器人在平移运动下的非线性动态模型。
9.如权利要求7所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括主体部分及动量轮，所述主体部分包括所述前把及所述前把控制器、前轮、后轮及后轮控制器，所述非线性动态模型为：
其中，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，m为自平衡机器人的总质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量，σ为该自平衡机器人圆运动的曲率，uσ为自平衡机器人运行圆轨迹的曲率对时间的导数，θ为自平衡机器人的侧倾角，为自平衡机器人侧倾角速度，为自平衡机器人的侧倾角加速度，为动量轮的旋转角，为动量轮的旋转角速度，为动量轮的旋转角加速度，b为自平衡机器人车架的后轮与地面的接触点沿第一特定方向距该自平衡机器人主体部分的质心在该第一特定方向上的投影点的水平距离，V为该自平衡机器人的前进速度，
为该自平衡机器人的前进加速度，g为重力加速度，为施加到自平衡机器人的动量轮的转矩，u v为施加到自平衡机器人的推进力，τΔ(θ，δf)为由于该自平衡机器人的脚轮效应而产生的误差量，δf为自平衡机器人的有效转向角。
10.如权利要求9所述的自平衡机器人控制方法，其中，在所述自平衡机器人的目标自平衡侧倾角大于0且当前运动速度大于0时，该简化非线性动态模型为：
11.一种自平衡机器人控制系统，其中，所述自平衡机器人包括前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩，且该系统包括：
目标自平衡状态获取模块，其被配置为获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；
转向转矩确定模块，其被配置为基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及
前把控制模块，其被配置为通过所述前把控制器，将所述转向转矩提供给该前把；
其中，所述目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，所述当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；
所述非线性函数为基于所述自平衡机器人的质量和质心位置、所述自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、所述自平衡机器人的转动惯量、以及所述自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平衡侧倾角所构造的非线性函数。
12.如权利要求11所述的自平衡机器人控制系统，所述自平衡机器人包括主体部分及
动量轮，所述主体部分包括所述前把及所述前把控制器，
所述自平衡机器人的质量和质心位置包括所述自平衡机器人的主体部分的质量和质心位置、以及所述自平衡机器人的动量轮的质量和质心位置；以及
所述自平衡机器人的转动惯量包括所述自平衡机器人的主体部分的转动惯量、以及所述自平衡机器人的动量轮的转动惯量。
13.如权利要求12所述的自平衡机器人控制系统，
其中，基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态根据非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩包括：
计算该自平衡机器人的脚轮效应函数；
根据该脚轮效应函数对该目标自平衡侧倾角进行校正处理，生成校正后的目标自平衡侧倾角；
基于该校正后的目标自平衡侧倾角和当前自平衡侧倾角，根据所述非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩。
14.一种自平衡机器人，所述自平衡机器人所述自平衡机器人包括前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩，且其中，
该自平衡机器人包括如前述权利要求11-13中任一项所述的自平衡机器人控制系统，且其通过如权利要求1-10中任一项所述的自平衡机器人控制方法来实现对所述前把的控制。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读的指令，当利用计算机执行所述指令时执行上述权利要求1-10中任意一项所述的方法。
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