全自主移动双轮平衡车轨迹规划及平衡特性分析

全自主移动双轮平衡车轨迹规划及平衡特性分析全自主移动双轮平衡车是一种动态稳定的轮式移动机器人,其近年来己成为机器人研究的一个热点。与传统的静态轮式移动机器人相比,其机械本体通常被设计成高重心、小占地面积。由于全自主移动双轮平衡车以倒立摆原理为基础,故需要不断消耗能量来维持自身平衡。

稳定性是全自主移动双轮平衡车必须具备的首要性能,其不仅表现在前进/后退等简单运动中,还在转向等复杂运动中更为重要。因为全自主移动双轮平衡车通过两个同轴的电机的协作来控制其运动。本研究课题以全自主移动双轮平衡车的结构为基础,分析其动力学和运动学特点,创新的利用轨迹规划的方法提高全自主移动双轮平衡车转向运动过程中的稳定性,使其以一较快的速度匀速沿既定轨迹曲线运动且无碰撞。

本课题的主要研究内容分为以下四个部分:1.建立全自主双轮平衡车动力学和运动学数学模型,以动力学模型为基础分析其平衡特性,通过运动学模型分析其在转向过程中临界倾斜情况下曲率与速度的关系,确定其运动轨迹的最大曲率值。2.根据A*路径搜索算法生成轨迹的不连续性,提出基于A*算法的三次

B-spline曲线轨迹规划方法。在原有A*路径搜索算法生成无碰撞路径的基础上,利用三次B-spline曲线平滑路径,使得轨迹曲线具有C2连续性,避免了全自主移动双轮平衡车不停地在路径点处启动、停止和原地转向。

3.考虑到生成轨迹曲线可能与障碍物发生碰撞,以及曲率并不一定满足全自主移动双轮平衡车运动轨迹曲率的要求,提出基于控制点修正的曲线曲率控制方法。首先对轨迹曲线进行碰撞分析,然后结合A*路径搜索算法和三次B-spline 曲线的性质,确定控制点移动位置,最终实现对轨迹曲线曲率的控制。

4.验证移动

控制点控制轨迹曲线曲率方法可行性。

根据上述分析过程编写算法,并在 matlab 软件上进行仿真。仿真结果表明,该方法可以有效地控制轨迹曲线曲率,使其满足全自主移动双轮平衡车最大曲率要求。