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

背景技術(shù)：

1、無人平臺發(fā)揮著越來越重要的作用，兩輪無人平臺憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動靈活等特點(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由于其兩個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技術(shù)對于奪取戰(zhàn)爭有利態(tài)勢、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本質(zhì)是欠驅(qū)動系統(tǒng)，且其轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與驅(qū)動子系統(tǒng)相互耦合，加之未建模動態(tài)與外界干擾使得非同軸兩輪無人平臺的軌跡跟蹤控制極具挑戰(zhàn)性。

2、非同軸兩輪無人平臺較同軸兩輪平臺具有更高的機(jī)動性和通過性，特別是在狹窄崎嶇的地形環(huán)境，因其兩個輪子并不位于同一軸線上，使其在物流配送、搶險救災(zāi)、軍事偵查等場景下展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。與此同時，由于其側(cè)向方向缺乏直接驅(qū)動，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?，F(xiàn)有關(guān)于非同軸兩輪無人平臺技術(shù)研究多集中在其平衡控制，對于其在不確定環(huán)境下的軌跡跟蹤控制鮮有涉及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種非同軸兩輪無人平臺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?zhí)峁┝巳缦路桨福?/p>

3、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N非同軸兩輪無人平臺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)動學(xué)模型和無人摩托系統(tǒng)動力學(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?zhí)峁┝艘环N非同軸兩輪無人平臺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)動學(xué)模型和無人摩托系統(tǒng)動力學(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?zhí)峁┑木唧w實(shí)施例，本申請公開了以下技術(shù)效果：

10、本申請?zhí)峁┝艘环N非同軸兩輪無人平臺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?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)動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型，內(nèi)環(huán)平衡控制層實(shí)時計(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)動學(xué)模型用于確定無人摩托平臺在大地坐標(biāo)系上任意時刻的位置和偏航角；

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)動力學(xué)模型為基于查普雷金方程法的非線性動力學(xué)模型；所述非線性動力學(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)時的坐標(biāo)信息，具體包括：

8.一種非同軸兩輪無人平臺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)
本申請公開了一種非同軸兩輪無人平臺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)動學(xué)模型和無人摩托系統(tǒng)動力學(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