CN103223673A - 一种轮腿式机器人的控制方法 - Google Patents

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罗洋
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Abstract

本发明公开了一种轮腿式机器人的控制方法，属于航天技术领域，本发明由底层控制部分和中央控制芯片组成，底层控制部分包括底层控制器、三轴加速度传感器、压力传感器、关节电机驱动控制器、车轮电机驱动控制器和关节角度传感器。底层控制部分进行各关节与车轮的底层控制、传感器信号采集，为中央控制芯片提供控制接口与反馈信号。本发明通过安装在车身上的三轴加速度传感器检测车身倾角，输出车身倾角反馈信号，中心控制芯片通过控制腿部运动，使车身恢复水平，能够让车轮所受压力趋于平均，使各轮负载转矩均匀分布，能够确保在崎岖路面上所有车轮都能与地面接触，大幅度提升车辆行驶稳定性。

Description

一种轮腿式机器人的控制方法
技术领域
本发明属于航天技术领域，特别是涉及一种轮腿式机器人的控制方法。
背景技术
由于月球具有巨大的开发价值，因此对月球的探测越来越重要，从而使得月球探测对机器人的移动性能要求非常高，主要体现在地面适应性、行驶平顺性、越障性、自主行驶功能方面。传统的四轮车因为地面自适应能力差，特别是不能很好的适应不可预知的地况，具有翻越障碍、爬长坡性能较差和转向不灵活等缺陷，由于在崎岖路面上车辆容易抖动，车辆遇到左右不等高地形时无法单独通过倾角判断被抬离地面的车轮。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够优化机器人行驶平顺性，提高机器人轮腿***对复杂地形表面响应的基于轮腿式机器人控制***的控制方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种轮腿式机器人的控制方法，轮腿式机器人控制***包括中央控制芯片、底层控制器、安装在机器人车身上的三轴加速度传感器、安装在车轮端部的压力传感器、关节电机驱动控制器、车轮电机驱动控制器和关节角度传感器，所述压力传感器用于对车轮进行轮端压力检测，所述三轴加速度传感器用于检测车身倾角并输出车身倾角反馈信号，所述关节角度传感器用于检测各关节的倾角、各关节的相对角度值及机器人的车体重心；所述中央控制芯片通过CAN总线与底层控制器双向连接；所述底层控制器的第一输出端连接所述关节电机驱动控制器的输入端，所述底层控制器的第二输出端连接所述车轮电机驱动控制器的输入端，所述底层控制器的第一输入端连接所述压力传感器的输出端，所述底层控制器的第二输入端连接所述关节角度传感器的输出端，所述中央控制芯片的输入端与所述三轴加速度传感器的输出端连接；其特征在于包括以下步骤：
步骤一、中央控制芯片初始化，设定车身倾角阈值θ0、轮端压力阈值F0和车体重心阈值H0；
步骤二、中央控制芯片采集车身倾角值θ和轮端压力值F；
步骤三、判断车身倾角值θ是否大于车身倾角阈值θ0，当θ>θ0时，执行下一个步骤，否则重复执行步骤三；
步骤四、计算当前车体重心值H并判断车体倾斜方向；
设定车身横向倾角值为θy，车身纵向倾角值为θx，当θx-θy<0时，车体为横向倾斜，执行步骤五；当θx-θy>0时，车体为纵向倾斜，执行步骤六；
步骤五、当θy<0时，车体为左倾，设定机器人右前轮端压力值为Frf，右后轮端压力值为Frh，右侧轮端压力差为|F1|，|F1|=Frf-Frh，当|F1|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右侧车轮降低；当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左侧车轮抬高；当|F1|>F0时，判断F1的正负，当F1>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右后轮降低；当F1<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右前轮降低；
当θy>0时，车体为右倾，设定机器人左前轮端压力值为Flf，左后轮端压力值为Flh，左侧轮端压力差为|F2|，|F2|=Flf-Flh，当|F2|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左侧车轮降低；当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右侧车轮抬高；当|F2|>F0时，判断F2的正负，当F2>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左后轮降低；当F2<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左前轮降低；
步骤六、当θx<0时，车体为前倾，设定机器人右后轮端压力值为Frh，左后轮端压力值为Flh，后侧轮端压力差为|F3|，|F3|=Frh-Flh，当|F3|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制后侧车轮抬高；当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制前侧车轮降低；当|F3|>F0时，判断F3的正负，当F3>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右前轮降低；当F3<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左前轮降低；
当θx>0时，车体为后倾，设定机器人右前轮端压力值为Frf，左前轮端压力值为Flf，前侧轮端压力差为|F4|，当|F4|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制前侧车轮抬高；当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制后侧车轮降低；当|F4|>F0时，判断F4的正负，当F4>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制右后轮降低；当F4<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器控制左后轮降低。
进一步的，所述轮腿式机器人控制***还包括上位机，所述上位机双向连接有第一无线收发模块，所述中央控制芯片双向连接有第二无线收发模块，所述第一无线收发模块与所述第二无线收发模块之间通过无线信号进行数据交互；
所述控制方法还包括通过上位机控制轮腿式机器人动作的步骤；
上位机发送速度与转向指令给中央控制芯片，中央控制芯片发送指令给底层控制器，底层控制器发送信号给所述关节电机驱动控制器和车轮电机驱动控制器，所述关节电机驱动控制器和车轮电机驱动控制器根据接收到的信号控制相应的电机动作。
本发明的有益效果是：本发明通过安装在车身上的三轴加速度传感器检测车身倾角，输出车身倾角反馈信号，中心控制芯片通过接收到的反馈信号控制腿部运动，使车身恢复水平，本发明能够让车轮所受压力趋于平均，使各轮负载转矩均匀分布，能够确保在崎岖路面上所有车轮都能与地面接触，大幅度提升车辆行驶稳定性。
附图说明
图1是轮腿式机器人控制***一具体实施方式的电路原理示意图。
图2是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种轮腿式机器人控制***，包括中央控制芯片1、底层控制器2、安装在机器人车身上的三轴加速度传感器3、安装在车轮端部的压力传感器4、关节电机驱动控制器5、车轮电机驱动控制器6、关节角度传感器7和上位机8，所述压力传感器4用于对车轮进行轮端压力检测，所述三轴加速度传感器3用于检测车身倾角并输出车身倾角反馈信号，所述关节角度传感器7用于检测各关节的倾角、各关节的相对角度值及机器人的车体重心；所述中央控制芯片1通过CAN总线与底层控制器2双向连接；所述底层控制器2的第一输出端连接所述关节电机驱动控制器5的输入端，所述底层控制器2的第二输出端连接所述车轮电机驱动控制器6的输入端，所述底层控制器2的第一输入端连接所述压力传感器4的输出端，所述底层控制器2的第二输入端连接所述关节角度传感器7的输出端，所述中央控制芯片1的输入端与所述三轴加速度传感器3的输出端连接；所述上位机8双向连接有第一无线收发模块9，所述中央控制芯片1双向连接有第二无线收发模块10，所述第一无线收发模块9与所述第二无线收发模块10之间通过无线信号进行数据交互。
本发明提出了分层次模块化控制方式，分层次模块化控制通过一个中央控制芯片通过外部总线控制四个底层控制器，实现4条轮腿的协调运动，中央控制芯片与底层控制器之间通过CAN总线连接与通信，很好的解决了单一控制器硬件资源有限与高速实时响应的矛盾，同时也大大简化了控制电路的设计，CAN总线的高可靠性容错通信机制也保证了***的高稳定性要求。
本实施例中，中央控制芯片1采用ST公司的STM32 VET6型处理器。STM32微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的的32位ARMv7 CPU，并带有32kB、64kB、128kB、256kB和512kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。由于内置了宽范围的串行通信接口和8/16/32kB的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、2个12位16路的ADC、12位DAC、PWM通道、集成CAN通信接口、80个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗***。
如图2所示，一种轮腿式机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、中央控制芯片1初始化，设定车身倾角阈值θ0、轮端压力阈值F0和车体重心阈值H0；
步骤二、模式选择；当选择纯滚动模式时执行步骤三，当选择可重构滚动模式时执行步骤四；
步骤三、上位机8发送速度与转向指令给中央控制芯片1，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2发送信号给所述关节电机驱动控制器5和车轮电机驱动控制器6，所述关节电机驱动控制器5和车轮电机驱动控制器6根据接收到的信号控制相应的电机动作；
步骤四、中央控制芯片1采集车身倾角值θ和轮端压力值F；
步骤五、判断车身倾角值θ是否大于车身倾角阈值θ0，当θ>θ0时，执行下一个步骤，否则重复执行步骤五；
步骤六、计算当前车体重心值H并判断车体倾斜方向；
设定车身横向倾角值为θy，车身纵向倾角值为θx，当θx-θy<0时，车体为横向倾斜，执行步骤七；当θx-θy>0时，车体为纵向倾斜，执行步骤八；
步骤七、当θy<0时，车体为左倾，设定机器人右前轮端压力值为Frf，右后轮端压力值为Frh，右侧轮端压力差为|F1|，|F1|=Frf-Frh，当|F1|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2发送信号给相应的关节电机驱动控制器5和车轮电机驱动控制器6，这些电机驱动控制器驱动电机以控制右侧车轮降低，然后结束；当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2发送信号给相应的关节电机驱动控制器5和车轮电机驱动控制器6，这些电机驱动控制器驱动电机以控制左侧车轮抬高，然后结束；当|F1|>F0时，判断F1的正负，当F1>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右前轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右后轮降低，然后结束；当F1<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右后轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右前轮降低，然后结束。
当θy>0时，车体为右倾，设定机器人左前轮端压力值为Flf，左后轮端压力值为Flh，左侧轮端压力差为|F2|，|F2|=Flf-Flh，当|F2|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左侧车轮降低，然后结束；当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2发送信号给相应的关节电机驱动控制器5和车轮电机驱动控制器6，这些电机驱动控制器驱动电机以控制右侧车轮抬高，然后结束；当|F2|>F0时，判断F2的正负，当F2>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左前轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左后轮降低，然后结束；当F2<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左后轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左前轮降低，然后结束；
步骤八、当θx<0时，车体为前倾，设定机器人右后轮端压力值为Frh，左后轮端压力值为Flh，后侧轮端压力差为|F3|，|F3|=Frh-Flh，当|F3|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制后侧车轮抬高，然后结束；当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制前侧车轮降低，然后结束；当|F3|>F0时，判断F3的正负，当F3>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右后轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右前轮降低，然后结束；当F3<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左后轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左前轮降低，然后结束；
当θx>0时，车体为后倾，设定机器人右前轮端压力值为Frf，左前轮端压力值为Flf，前侧轮端压力差为|F4|，当|F4|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制前侧车轮抬高，然后结束；当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制后侧车轮降低，然后结束；当|F4|>F0时，判断F4的正负，当F4>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右前轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制右后轮降低，然后结束；当F4<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左前轮抬高，然后结束，当H-H0<0时，中央控制芯片1发送指令给底层控制器2，底层控制器2控制左后轮降低，然后结束。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种轮腿式机器人的控制方法，轮腿式机器人控制***包括中央控制芯片（1）、底层控制器（2）、安装在机器人车身上的三轴加速度传感器（3）、安装在车轮端部的压力传感器（4）、关节电机驱动控制器（5）、车轮电机驱动控制器（6）和关节角度传感器（7），所述压力传感器（4）用于对车轮进行轮端压力检测，所述三轴加速度传感器（3）用于检测车身倾角并输出车身倾角反馈信号，所述关节角度传感器（7）用于检测各关节的倾角、各关节的相对角度值及机器人的车体重心；所述中央控制芯片（1）通过CAN总线与底层控制器（2）双向连接；所述底层控制器（2）的第一输出端连接所述关节电机驱动控制器（5）的输入端，所述底层控制器（2）的第二输出端连接所述车轮电机驱动控制器（6）的输入端，所述底层控制器（2）的第一输入端连接所述压力传感器（4）的输出端，所述底层控制器（2）的第二输入端连接所述关节角度传感器（7）的输出端，所述中央控制芯片（1）的输入端与所述三轴加速度传感器（3）的输出端连接；其特征在于包括以下步骤：
步骤一、中央控制芯片（1）初始化，设定车身倾角阈值θ0、轮端压力阈值F0和车体重心阈值H0；
步骤二、中央控制芯片（1）采集车身倾角值θ和轮端压力值F；
步骤三、判断车身倾角值θ是否大于车身倾角阈值θ0，当θ>θ0时，执行下一个步骤，否则重复执行步骤三；
步骤四、计算当前车体重心值H并判断车体倾斜方向；
设定车身横向倾角值为θy，车身纵向倾角值为θx，当θx-θy<0时，车体为横向倾斜，执行步骤五；当θx-θy>0时，车体为纵向倾斜，执行步骤六；
步骤五、当θy<0时，车体为左倾，设定机器人右前轮端压力值为Frf，右后轮端压力值为Frh，右侧轮端压力差为|F1|，|F1|=Frf-Frh，当|F1|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右侧车轮降低；当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左侧车轮抬高；当|F1|>F0时，判断F1的正负，当F1>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右后轮降低；当F1<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右前轮降低；
当θy>0时，车体为右倾，设定机器人左前轮端压力值为Flf，左后轮端压力值为Flh，左侧轮端压力差为|F2|，|F2|=Flf-Flh，当|F2|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左侧车轮降低；当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右侧车轮抬高；当|F2|>F0时，判断F2的正负，当F2>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左后轮降低；当F2<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左前轮降低；
步骤六、当θx<0时，车体为前倾，设定机器人右后轮端压力值为Frh，左后轮端压力值为Flh，后侧轮端压力差为|F3|，|F3|=Frh-Flh，当|F3|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制后侧车轮抬高；当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制前侧车轮降低；当|F3|>F0时，判断F3的正负，当F3>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右前轮降低；当F3<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左后轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左前轮降低；
当θx>0时，车体为后倾，设定机器人右前轮端压力值为Frf，左前轮端压力值为Flf，前侧轮端压力差为|F4|，当|F4|<F0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制前侧车轮抬高；当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制后侧车轮降低；当|F4|>F0时，判断F4的正负，当F4>0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制右后轮降低；当F4<0时，判断H-H0是否大于0，当H-H0>0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左前轮抬高，当H-H0<0时，中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）控制左后轮降低。
2.如权利要求1所述的一种轮腿式机器人的控制方法，其特征是：所述轮腿式机器人控制***还包括上位机（8），所述上位机（8）双向连接有第一无线收发模块（9），所述中央控制芯片（1）双向连接有第二无线收发模块（10），所述第一无线收发模块（9）与所述第二无线收发模块（10）之间通过无线信号进行数据交互；
所述控制方法还包括通过上位机（8）控制轮腿式机器人动作的步骤；
上位机（8）发送速度与转向指令给中央控制芯片（1），中央控制芯片（1）发送指令给底层控制器（2），底层控制器（2）发送信号给所述关节电机驱动控制器（5）和车轮电机驱动控制器（6），所述关节电机驱动控制器（5）和车轮电机驱动控制器（6）根据接收到的信号控制相应的电机动作。
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