本申請(qǐng)涉及智能機(jī)器人，特別是涉及一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無人平臺(tái)發(fā)揮著越來越重要的作用，兩輪無人平臺(tái)憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)在狹窄空間、復(fù)雜地形等特殊環(huán)境下的傷員運(yùn)送、偵查打擊任務(wù)中應(yīng)用廣泛。非同軸兩輪無人平臺(tái)由于其兩個(gè)輪分別布置在前后軸上，展現(xiàn)了更高的靈活性、更強(qiáng)的爬坡越障能力等，因而發(fā)展非同軸兩輪無人平臺(tái)技術(shù)對(duì)于奪取戰(zhàn)爭(zhēng)有利態(tài)勢(shì)、遂行作戰(zhàn)保障任務(wù)具有重要意義。然而，這種非同軸兩輪無人平臺(tái)本質(zhì)是欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，且其轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)相互耦合，加之未建模動(dòng)態(tài)與外界干擾使得非同軸兩輪無人平臺(tái)的軌跡跟蹤控制極具挑戰(zhàn)性。

2、非同軸兩輪無人平臺(tái)較同軸兩輪平臺(tái)具有更高的機(jī)動(dòng)性和通過性，特別是在狹窄崎嶇的地形環(huán)境，因其兩個(gè)輪子并不位于同一軸線上，使其在物流配送、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事偵查等場(chǎng)景下展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，由于其側(cè)向方向缺乏直接驅(qū)動(dòng)，使得其平衡控制面臨挑戰(zhàn)，需要通過前輪轉(zhuǎn)向的自平衡控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有關(guān)于非同軸兩輪無人平臺(tái)技術(shù)研究多集中在其平衡控制，對(duì)于其在不確定環(huán)境下的軌跡跟蹤控制鮮有涉及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的是提供一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法及系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略，能夠有效提高無人摩托的軌跡跟蹤精度和穩(wěn)定性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>

3、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，包括：

4、獲取行駛過程中無人摩托實(shí)時(shí)的位姿信息和坐標(biāo)信息；

5、將位姿數(shù)據(jù)與坐標(biāo)信息輸入車載計(jì)算單元，基于雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略，在確保車輛穩(wěn)定性的前提下，校正非同軸雙輪系統(tǒng)的行駛偏差，以跟蹤期望軌跡；所述車載計(jì)算單元中預(yù)先設(shè)置有離線期望軌跡、軌跡跟蹤控制器、自平衡控制器、無人摩托系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和無人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；所述雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略包括外環(huán)位姿規(guī)劃層和內(nèi)環(huán)平衡控制層；所述外環(huán)位姿規(guī)劃層是由坐標(biāo)信息、離線期望軌跡、軌跡跟蹤控制器和無人摩托系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)成的，用于輸出無人摩托的期望車把轉(zhuǎn)角；所述內(nèi)環(huán)平衡控制層是由外環(huán)位姿規(guī)劃層輸出的期望車把轉(zhuǎn)角、位姿信息、自平衡控制器和無人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)成的，用于校正非同軸雙輪系統(tǒng)的行駛偏差。

6、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制系統(tǒng)，包括：

7、信息獲取模塊，用于獲取行駛過程中無人摩托實(shí)時(shí)的位姿信息和坐標(biāo)信息；

8、控制模塊，用于將位姿數(shù)據(jù)與坐標(biāo)信息輸入車載計(jì)算單元，基于雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略，在確保車輛穩(wěn)定性的前提下，校正非同軸雙輪系統(tǒng)的行駛偏差，以跟蹤期望軌跡；所述車載計(jì)算單元中預(yù)先設(shè)置有離線期望軌跡、軌跡跟蹤控制器、自平衡控制器、無人摩托系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和無人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；所述雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略包括外環(huán)位姿規(guī)劃層和內(nèi)環(huán)平衡控制層；所述外環(huán)位姿規(guī)劃層是由坐標(biāo)信息、離線期望軌跡、軌跡跟蹤控制器和無人摩托系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)成的，用于輸出無人摩托的期望車把轉(zhuǎn)角；所述內(nèi)環(huán)平衡控制層是由外環(huán)位姿規(guī)劃層輸出的期望車把轉(zhuǎn)角、位姿信息、自平衡控制器和無人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)成的，用于校正非同軸雙輪系統(tǒng)的行駛偏差。

9、根據(jù)本申請(qǐng)?zhí)峁┑木唧w實(shí)施例，本申請(qǐng)公開了以下技術(shù)效果：

10、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法及系統(tǒng)，該方法包括：獲取行駛過程中無人摩托實(shí)時(shí)的位姿信息和坐標(biāo)信息；將位姿數(shù)據(jù)與坐標(biāo)信息輸入車載計(jì)算單元，基于雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略，在確保車輛穩(wěn)定性的前提下，校正非同軸雙輪系統(tǒng)的行駛偏差，以跟蹤期望軌跡。本申請(qǐng)?zhí)峁┑碾p閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略中，外環(huán)位姿規(guī)劃層負(fù)責(zé)生成期望的位姿軌跡，通過實(shí)時(shí)獲取無人摩托的當(dāng)前位姿信息，計(jì)算出與期望軌跡之間的偏差。然后，將偏差信息傳遞給內(nèi)環(huán)平衡控制層，以調(diào)整無人摩托的行駛方向和速度，確保其能夠準(zhǔn)確地跟蹤期望軌跡。內(nèi)環(huán)平衡控制層則主要負(fù)責(zé)無人摩托的穩(wěn)定行駛?；跓o人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，內(nèi)環(huán)平衡控制層實(shí)時(shí)計(jì)算出所需的控制量，以保持無人摩托的平衡和穩(wěn)定。通過雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)位姿規(guī)劃層和內(nèi)環(huán)平衡控制層相互配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)無人摩托的精確控制。

技術(shù)特征：

1.一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，所述軌跡跟蹤控制器，用于通過消除期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)間的誤差，確定無人摩托所需的期望前向速度和角速度；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，所述無人摩托系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型用于確定無人摩托平臺(tái)在大地坐標(biāo)系上任意時(shí)刻的位置和偏航角；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，所述自平衡控制器，用于在得到位姿信息后，通過控制算法使車身側(cè)傾角收斂到期望值，具體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，所述無人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為基于查普雷金方程法的非線性動(dòng)力學(xué)模型；所述非線性動(dòng)力學(xué)模型具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，獲取行駛過程中無人摩托實(shí)時(shí)的位姿信息，具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法，其特征在于，獲取行駛過程中無人摩托實(shí)時(shí)的坐標(biāo)信息，具體包括：

8.一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信息獲取模塊包括位姿信息獲取子模塊和坐標(biāo)信息獲取子模塊。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制系統(tǒng)，其特征在于，所述位姿信息獲取子模塊，用于采用mpu6050陀螺儀芯片獲取無人摩托的車身側(cè)傾角和側(cè)傾角速度，用于利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器獲取無人摩托的車身前向速度，用于通過無人摩托的車把轉(zhuǎn)向電機(jī)獲得車把轉(zhuǎn)角速度；

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開了一種非同軸兩輪無人平臺(tái)軌跡跟蹤分層控制方法及系統(tǒng)，涉及智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括獲取行駛過程中無人摩托實(shí)時(shí)的位姿信息和坐標(biāo)信息；將位姿數(shù)據(jù)與坐標(biāo)信息輸入車載計(jì)算單元，基于雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略，在確保車輛穩(wěn)定性的前提下，校正非同軸雙輪系統(tǒng)的行駛偏差，以跟蹤期望軌跡；車載計(jì)算單元中預(yù)先設(shè)置有離線期望軌跡、軌跡跟蹤控制器、自平衡控制器、無人摩托系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和無人摩托系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；雙閉環(huán)軌跡跟蹤控制策略包括外環(huán)位姿規(guī)劃層和內(nèi)環(huán)平衡控制層。本申請(qǐng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，能夠有效提高無人摩托的軌跡跟蹤精度和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：楊路,劉京昊,王文碩,席軍強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19