CN110333652A - 车型巡检机器人的过弯控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种巡检机器人控制技术领域，是一种车型巡检机器人的过弯控制方法，包括以下步骤：第一步获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量；第二步角度调节单元依据偏差量计算输出指令，并根据输出指令生成控制转向轮的PWM驱动信号；第三步速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令，并根据速度指令生成控制驱动轮的PWM驱动信号。本发明在不增设硬件设备的前提下，实现了角度调节单元的自适应控制，以及角度调节单元与速度调节单元之间的协调过弯控制，保证了车型巡检机器人在不同巡检路径弯道曲率下均能稳定过弯，抑制了车型巡检机器人的过弯侧滑现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种巡检机器人控制技术领域，是一种车型巡检机器人的过弯控制方法。
背景技术
随着机器人的应用规模不断扩大，机器人代替人工的趋势也越加明显，车型巡检机器人以其体积小、智能化控制、效率高、可靠性高，减少人工带电作业安全隐患等优点，已成为变电站的无人值守、自动巡检的关键角色，在变电站中正在得到越加广泛的应用。
车型巡检机器人进行巡检时，在车型巡检机器人巡检路径的曲率变化范围较大的情况下，固定的车型巡检机器人舵机控制参数往往难以适应所有路况，而且舵机PID控制器的微分环节也极易引入噪声干扰，此外，在车型巡检机器人转弯时，如果车型巡检机器人的两个后驱电机没有采取差速控制措施，车型巡检机器人极容易发生侧滑现象。
现有针对车型巡检机器人在不同弯道曲率路况下的调整控制方法，多为通过对行驶路径进行优化，提出相应的路径平滑规划算法，以提高其稳定移动能力，或者车型机器人的后驱双电机的差速参数进行了优化整定；上述方法存在计算公式复杂，计算量大，也没有将后驱双电机的差速参数与舵机的转向控制相协调的问题，并且在更复杂的路况下车型机器人仍然存在噪声干扰、参数适应范围较窄的问题。
发明内容
本发明提供了一种车型巡检机器人的过弯控制方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有车型巡检机器人的过弯控制方法中存在角度调节与速度调节不能相配合，造成过弯侧滑的问题。
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种车型巡检机器人的过弯控制方法，包括以下步骤：
第一步，根据跑道的中心值，获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量Road_error；
第二步，角度调节单元依据偏差量Road_error计算输出指令，并根据输出指令生成控制转向轮的PWM驱动信号，其中角度调节单元用于控制车型巡检机器人的转向轮；
第三步，速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令，并根据速度指令生成控制驱动轮的PWM驱动信号，其中速度调节单元用于控制车型巡检机器人的驱动轮。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述角度调节单元包括PID控制器，第二步中角度调节单元计算输出指令包括以下步骤：
(一)计算角度调节单元中PID控制器的比例系数Kp，计算公式如下：
Kp＝Kp2+Kp1×(Road_error×Road_error)
其中，Kp1和Kp2分别为二次项系数和常数项；
(二)角度调节单元根据偏差量Road_error和比例系数Kp计算输出指令。
上述在角度调节单元根据偏差量Road_error和比例系数Kp计算输出指令时，在PID控制器的微分环节中附加一个一阶惯性控制环节，则角度调节单元通过下式计算输出指令；
其中，τi和τd1为PID控制器的积分时间常数和微分时间常数，τd2是微分控制环节中所附加的一阶惯性控制环节的时间常数。
上述第三步中速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令包括以下步骤：
(一)计算角度调节单元的输出指令的占空比duty；
(二)速度调节单元通过下式计算差速比例值Speed_error；
其中，dutymax为角度调节单元输出指令的占空比的最大值，Kf为差速系数；
(三)速度调节单元根据差速比例值Speed_error，计算速度指令。
上述速度调节单元包括内轮驱动电机和外轮驱动电机，则速度指令包括内轮驱动电机的速度指令Speed_in*和外轮驱动电机的速度指令Speed_out*，其计算公式如下：
其中，Speed_set是整个车型巡检机器人的设定速度。
上述S1中根据跑道的中心值，获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量Road_error包括以下步骤：
(一)获取前方跑道的左边沿信息Road_L和右边沿信息Road_R；
(二)根据下式计算车身当前所处位置信息Location；
(三)预先设置跑道的中心值Road_set；
(四)计算当前位置下车型巡检机器人车身的偏差量Road_error，计算公式如下：
Road_error＝Location-Road_set。
上述角度调节单元可包括舵机及舵机控制***；速度调节单元可包括电机控制***和驱动电机组。
本发明在不增设硬件设备的前提下，角度调节单元根据当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量，自适应地改变自身的角度控制参数，同时速度调节单元通过角度调节单元的调整结果自适应的获取速度调节单元的差速指令，从而使角度调节单元和速度调节单元相互配合，保证车型巡检机器人在不同巡检路径弯道曲率下均能稳定过弯，抑制了车型巡检机器人的过弯侧滑现象。
附图说明
附图1为本发明实施例1的流程图。
附图2为本发明实施例1角度调节单元计算输出指令的流程图。
附图3为本发明实施例1速度调节单元计算速度指令的流程图。
附图4为本发明实施例1获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量的流程图。
附图5为本发明实施例2不加入一阶惯性控制的车型巡检机器人舵机PID控制器的响应曲线图。
附图6为本发明实施例2加入一阶惯性控制的车型巡检机器人舵机PID控制器的响应曲线图。
附图7为本发明实施例2不同路况下车型巡检机器人舵机PID控制器的比例系数在不同偏差量下的变化曲线图。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
实施例1：如附图1所示，该车型巡检机器人的过弯控制方法,包括以下步骤：
第一步，根据跑道的中心值(跑道中心线的位置)，获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量Road_error；
第二步，角度调节单元依据偏差量Road_error计算输出指令，并根据输出指令生成控制转向轮的PWM驱动信号，其中角度调节单元用于控制车型巡检机器人的转向轮；
第三步，速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令，并根据速度指令生成控制驱动轮的PWM驱动信号，其中速度调节单元用于控制车型巡检机器人的驱动轮。
上述角度调节单元的输出指令可为脉冲信号，在计算得到输出指令后，角度调节单元对输出指令进行调制，生成对应控制转向轮的PWM驱动信号，从而控制车型巡检机器人转向轮的角度变化。
其中，角度调节单元可包括舵机及舵机控制***，用于控制车型巡检机器人转向轮的角度；车型巡检机器人的转向轮可为车型巡检机器人的左前轮和右前轮；在舵机控制***中可包括PID控制器；
上述计算出角度调节单元的输出指令后，速度调节单元能根据该输出指令计算得到与之相匹配的速度指令，并对速度指令进行调制生成对应控制驱动轮的PWM驱动信号，从而控制车型巡检机器人驱动轮的速度变化。
其中，速度调节单元可包括电机控制***和多个驱动电机，用于控制车型巡检机器人驱动轮的速度；驱动电机与驱动轮一一对应，若车型巡检机器人的驱动轮为左前轮和右前轮，则需由左前轮驱动电机和右前轮驱动电机。
本发明在不增设硬件设备的前提下，角度调节单元根据当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量，自适应地改变自身的角度控制参数，同时速度调节单元通过角度调节单元的调整结果自适应的获取速度调节单元的差速指令，从而使角度调节单元和速度调节单元相互配合，保证车型巡检机器人在不同巡检路径弯道曲率下均能稳定过弯，抑制了车型巡检机器人的过弯侧滑现象。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
如附图1、2所示，所述角度调节单元包括PID控制器，所述第二步中角度调节单元计算输出指令包括以下步骤：
(一)计算角度调节单元中PID控制器的比例系数Kp，计算公式如下：
Kp＝Kp2+Kp1×(Road_error×Road_error)
其中，Kp1和Kp2分别为二次项系数和常数项；
(二)角度调节单元根据偏差量Road_error和比例系数Kp计算输出指令。
如附图1、2所示，所述在角度调节单元根据偏差量Road_error和比例系数Kp计算输出指令时，在PID控制器的微分环节中附加一个一阶惯性控制环节，则角度调节单元通过下式计算输出指令；
其中，τi和τd1为PID控制器的积分时间常数和微分时间常数，τd2是微分控制环节中所附加的一阶惯性控制环节的时间常数。
上述在PID控制器的微分环节引入了一阶惯性控制环节，能够提高角度调节单元的抗干扰性，从而角度调节单元实现精准的角度控制。
如附图1、3所示，所述第三步中速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令包括以下步骤：
(一)计算角度调节单元的输出指令的占空比duty(占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例)；
(二)速度调节单元通过下式计算差速比例值Speed_error；
其中，dutymax为角度调节单元输出指令的占空比的最大值，Kf为差速系数；
(三)速度调节单元根据差速比例值Speed_error，计算速度指令。
如附图1、3所示，所述速度调节单元包括内轮驱动电机和外轮驱动电机，则速度指令包括内轮驱动电机的速度指令Speed_in*和外轮驱动电机的速度指令Speed_out*，其计算公式如下：
其中，Speed_set是整个车型巡检机器人的设定速度。
上述内轮驱动电机用于控制车型巡检机器人的内轮；外轮驱动电机用于控制车型巡检机器人的外轮。
如附图1、4所示，所述S1中根据跑道的中心值，获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量Road_error包括以下步骤：
(一)获取前方跑道的左边沿信息Road_L和右边沿信息Road_R；
(二)根据下式计算车身当前所处位置信息Location；
(三)预先设置跑道的中心值Road_set；
(四)计算当前位置下车型巡检机器人车身的偏差量Road_error，计算公式如下：
Road_error＝Location-Road_set
如附图1所示，所述角度调节单元包括舵机及舵机控制***；所述速度调节单元包括电机控制***和驱动电机组。其中驱动电机组可包括多个驱动电机，驱动电机的个数需要与驱动轮的个数相对应。
实施例2：设置模拟赛道，赛道的宽度为50cm，使用本发明进行模拟仿真，结果及其分析如下所示：
舵机采用PID控制策略时，不在PID控制器的微分环节加入一阶惯性控制，则其响应结果如附图5所示，使用本发明的方法在PID控制器的微分环节加入一阶惯性控制，其响应结果如附图6所示。
附图5中，舵机在500ms后稳定在参考值附近，而附图6中，舵机在340ms时就已稳定在参考值附近；由此可以看出，PID控制器的微分环节会引入很大的噪声干扰，若在PID控制器的微分环节加入一阶惯性控制，则能抑制微分环节所带来的噪声干扰，从而响应速度得到极大提高。
舵机PID控制器的比例系数在不同偏差量下的变化情如附图7所示，有图可知，当偏差量的绝对值大于5时，随着偏差量的增大，比例系数也在非线性增加，以加快其响应速度以及对较大曲率弯道的适应性，当偏差量的绝对值小于5时，比例系数稳定在一个较小的固定值，以保证其稳定性。
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
Claims (8)
1.一种车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，根据跑道的中心值，获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量Road_error；
第二步，角度调节单元依据偏差量Road_error计算输出指令，并根据输出指令生成控制转向轮的PWM驱动信号，其中角度调节单元用于控制车型巡检机器人的转向轮；
第三步，速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令，并根据速度指令生成控制驱动轮的PWM驱动信号，其中速度调节单元用于控制车型巡检机器人的驱动轮。
2.根据权利要求1所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述角度调节单元包括PID控制器，所述第二步中角度调节单元计算输出指令包括以下步骤：
(一)计算角度调节单元中PID控制器的比例系数Kp，计算公式如下：
Kp＝Kp2+Kp1×(Road_error×Road_error)
其中，Kp1和Kp2分别为二次项系数和常数项；
(二)角度调节单元根据偏差量Road_error和比例系数Kp计算输出指令。
3.根据权利要求2所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述在角度调节单元根据偏差量Road_error和比例系数Kp计算输出指令时，在PID控制器的微分环节中附加一个一阶惯性控制环节，则角度调节单元通过下式计算输出指令；
其中，τi和τd1为PID控制器的积分时间常数和微分时间常数，τd2是微分控制环节中所附加的一阶惯性控制环节的时间常数。
4.根据权利要求1所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述第三步中速度调节单元依据角度调节单元的输出指令计算速度指令包括以下步骤：
(一)计算角度调节单元的输出指令的占空比duty；
(二)速度调节单元通过下式计算差速比例值Speed_error；
其中，dutymax为角度调节单元输出指令的占空比的最大值，Kf为差速系数；
(三)速度调节单元根据差速比例值Speed_error，计算速度指令。
5.根据权利要求4所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述速度调节单元包括内轮驱动电机和外轮驱动电机，则速度指令包括内轮驱动电机的速度指令Speed_in*和外轮驱动电机的速度指令Speed_out*，其计算公式如下：
其中，Speed_set是整个车型巡检机器人的设定速度。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述S1中根据跑道的中心值，获取当前位置下车型巡检机器人车身在跑道上的偏差量Road_error包括以下步骤：
(一)获取前方跑道的左边沿信息Road_L和右边沿信息Road_R；
(二)根据下式计算车身当前所处位置信息Location；
(三)预先设置跑道的中心值Road_set；
(四)计算当前位置下车型巡检机器人车身的偏差量Road_error，计算公式如下：
Road_error＝Location-Road_set。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述角度调节单元包括舵机及舵机控制***；所述速度调节单元包括电机控制***和驱动电机组。
8.根据权利要求6中任意一项所述的车型巡检机器人的过弯控制方法，其特征在于所述角度调节单元包括舵机及舵机控制***；所述速度调节单元包括电机控制***和驱动电机组。
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