ICRA 2020 | UCLA提出更灵活的机器人移动装置: 任意移动,独轮平衡
四、控制器
刚才提到线性控制器,对于类似自平衡系统可能已经足够,但此结论是基于传感器可以提供准确读数的情况下,或者说,可以提供与模型状态变量一致的测量数据,而这一假设在现实中,基本无法实现,这也是为什么我们需要状态估计 (state estimation) 的原因。
举个例子,我们的状态变量包括身体的角度,模型的角度θa是对于质心的(因为当θa为零时OmBURo才能平衡),而实际读取到的角度θm,由于IMU装配误差和自身偏差,可能没有任何物理意义(你也不知道它测量的到底是啥),当然这两个角度实际上不会差很多,但对于自平衡移动机器人,一点点误差也是致命的。
幸运的是,对于这类自平衡移动机器人,相比复杂的状态估计,我们有一个更加便捷的方法处理这一问题。我们首先可以以θm读数为基准设计控制器,如果目标是OmBURo速度为零原地平衡,但结果是它持续往某一方向(比如向右)移动的话,那我们则可知需要向反方向(比如向左)调整θm读数,调整的大小可基于OmBURo的移动距离以及速度,反之亦然。综上,我们设计的控制器如下图所示,包含一个基于模型的LQR控制器(用于追踪参考速度)以及一个用于调整角度读数的PI控制器。
五、实验结果
基于以上OmBURo样机以及控制器设计,我们成功完成了一系列实验测试,包括原地自平衡、自抗扰、速度跟踪、路径跟随、甚至斜坡平衡。

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