一种自稳定载物台控制方法、载物台及移动装置

摘要

本发明公开了一种自稳定载物台控制方法、载物台及移动装置。方法包括：设置目标姿态，执行以下步骤：S1，获取载物台当前纵向加速度ax、当前横向加速度ay、当前竖直方向加速度az、当前俯仰角α和当前翻滚角β；S2，根据ax和ay计算能够抵抗载物台当前水平面内惯性力的计算俯仰角αc和计算翻滚角βc；根据az计算能够抵抗载物台竖直方向惯性力的计算高度hc；S3，根据当前俯仰角α、当前翻滚角β、载物台的当前高度h、计算俯仰角αc、计算翻滚角βc和计算高度hc调节载物台的俯仰角、翻滚角和高度使载物台保持目标姿态。保证载物台保持目标姿态的同时抵抗机器人在x、y、z轴方向上的扰动，控制量统一，能解决多场景下的复杂任务。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种自稳定载物台控制方法、载物台及移动装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，移动装置得到了广泛的应用，机器人的工作场景越来越复杂，需要携带的传感器也越来越多，如何在复杂场景下保证机器人所携带的货物或传感器的稳定成为越来越重要的问题。

现有技术中申请号为CN201810943036.1的中国专利公开了一种基于自稳定平台的移动服务系统，该系统在移动服务机器人经过颠簸不平或倾斜的路面时，其上面的载物台在执行机构、连杆及万向轴的作用下，能进行自动调节保持载物台面水平稳定，当移动服务机器人由于避障等原因急停或再次启动时，自稳定平台使得载物台面在滑块的带动下沿滑轨移动，能够在一定程度上抵消移动服务机器人的加速度的影响，避免了物品的倾倒、掉落。但是，该专利载物平台无法升降，不能提供横向和竖直方向的缓冲，无法确保横向和竖直方向的自稳定，且载物台只能保持水平，无法满足保持其他倾角的需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种自稳定载物台控制方法、载物台及移动装置。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种自稳定载物台控制方法，设置载物台的目标姿态，所述目标姿态包括目标高度h

上述技术方案：通过当前纵向加速度和当前横向加速度获得载物台抵抗当前水平面内惯性力的计算俯仰角和计算翻滚角，通过当前竖直方向加速度获得载物台抵抗竖直方向惯性力的计算高度，结合当前俯仰角α、当前翻滚角β、载物台的当前高度h、计算俯仰角α

在本发明的一种优选实施方式中，所述载物台具有不在同一直线上的至少三个支撑机构；所述步骤S3包括：步骤A，根据当前俯仰角α、当前翻滚角β、计算俯仰角α

上述技术方案：通过独立调节支撑载物台台面各支撑机构的高度，使得载物台台面在载物台移动过程中保持目标姿态，即目标俯仰角和目标翻滚角，并且实时检测载物台三个方向的加速度、俯仰角和翻滚角，通过结合当前加速度信息、俯仰角和翻滚角获得各支撑机构的目标高度，使得颠簸不平或倾斜路面时载物平台始终保持目标姿态，特别是载物平台上放置的是传感器时，可避免由于抖动影响传感器的数据误差，提高数据精度。实现了在保证载物台保持目标姿态的同时抵抗机器人在x、y、z三轴方向上的扰动，能够升降载物台，能提供横向和竖直方向的缓冲，控制量统一，但能解决多场景下的复杂任务。

在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S3具体包括：步骤S31，根据当前俯仰角α、当前翻滚角β、计算俯仰角α

上述技术方案：通过独立调节支撑载物台台面的第一支撑机构、第二支撑机构和第三支撑机构的高度，使得载物台台面在载物台移动过程中保持目标姿态，即目标俯仰角和目标翻滚角，并且实时检测载物台三个方向的加速度、俯仰角和翻滚角，通过结合当前加速度信息、俯仰角和翻滚角获得第一支撑机构、第二支撑机构和第三支撑机构的目标高度，使得颠簸不平或倾斜路面时载物平台始终保持目标姿态，特别是载物平台上放置的是传感器时，可避免由于抖动影响传感器的数据误差，提高数据精度；以及载物台加减速或转弯时，可通过调节三个支撑机构高度来调节载物平台的倾角抵抗由于加速度产生的惯性力，提高稳定性，避免物品滑落、倾倒或洒落。实现了在保证载物台保持目标姿态的同时抵抗机器人在x、y、z三轴方向上的扰动，能够升降载物台，能提供横向和竖直方向的缓冲，控制量统一，但能解决多场景下的复杂任务。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S3中，第一个支撑机构的第一调节长度Δh

上述技术方案：获取的第一个支撑机构的第一调节长度、第二个支撑机构的第一调节长度和第三个支撑机构的第一调节长度能够充分抵抗水平面内的惯性力，使得载物台的台面保持目标俯仰角和目标翻滚角。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S2中，根据载物台当前纵向加速度a

上述技术方案：求解计算翻滚角β

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S2中，根据载物台当前竖直方向加速度a

上述技术方案：求解计算高度h

在本发明的一种优选实施方式中，倾角系数k

上述技术方案：倾角系数k

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S3中，载物台的当前高度h通过第一支撑机构的当前高度h

在本发明的一种优选实施方式中，所述目标高度的设置方法包括：步骤S11，将装载载物台的移动装置直行且路面平坦时的预设高度作为目标高度的初始值；步骤S12，在目标高度的初始值基础上根据实际路况设置实际目标高度，具体包括：当移动装置启动时，增大目标高度，当移动装置停止时，降低目标高度；当处于上坡、下坡时，增大目标高度，当处于平坦路面时，降低目标高度；设置载物台倾角允许范围，实时获取载物台倾角；当所述载物台倾角在时间T1内连续超出所述载物台倾角允许范围时，增大目标高度进入倾角保护模式；当进入倾角保护模式后，若所述载物台倾角在时间T2内连续未超出所述载物台倾角允许范围时，降低目标高度退出倾角保护模式；所述T1和T2均大于0。

上述技术方案：实现根据实际路况设置实际目标高度，具体包括：当移动装置启动时，增大目标高度，当移动装置停止时，降低目标高度，使得载物台台面上的货物在移动装置启停过程中更平稳；在坡面上运动时，可通过升高重心防止在坡面上失衡甚至倾覆；设置倾角保护模式，能够在机器人机体倾角连续超出范围后通过抬高机器人重心高度来改善机器倾斜度，便于平衡控制。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种载物台，包括底座、台面、在所述底座和台面之间设置有不沿同一条直线分布的第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构，第一支撑机构的伸缩端、第二支撑机构的伸缩端、第三支撑机构的伸缩端分别通过一个万向节与所述台面底部连接，第一支撑机构的下端、第二支撑机构的下端、第三支撑机构的下端固定于所述底座的上表面，还包括控制器、设于所述台面上的姿态传感器和加速度传感器，所述姿态传感器和加速度传感器分别与控制器连接，所述控制器还分别与第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的控制部连接；所述控制器接收姿态传感器输出的台面的俯仰角和翻滚角，以及加速度传感器输出的横向加速度、纵向加速度和竖直方向加速度，控制器按照本发明所述的一种自稳定载物台控制方法调节第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的高度。

上述技术方案：该载物台除了具备本发明所述方法的有益效果外，通过万向节实现了支撑机构伸缩端的伸缩变化(即支撑机构的高度变化)带动台面的高度、翻滚角和俯仰角姿态变化，结构简单，便于控制调节。

在本发明的一种优选实施方式中，所述底座上设置有便于将所述载物台安装在移动装置上的连接机构。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种移动装置，包括移动设备和设于所述移动设备上的本发明所述的载物台。

上述技术方案：除了具备载物台的有益效果外，实现了该机器人在行程范围内保持载物台台面目标姿态。机器人加减速或转弯时，可调节载物平台的倾角抵抗由于加速度产生的惯性力，提高稳定性，避免物品滑落、倾倒或洒落。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中自稳定载物平台控制方法的部分流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种自稳定载物台控制方法，通过控制载物平台的运动解决了放置在平台上的物体稳定性。在一种优选实施方式中，该方法为：设置载物台的目标姿态，目标姿态包括目标高度h

步骤S1，获取载物台水平面内当前纵向加速度a

步骤S2，根据载物台当前纵向加速度a

根据载物台当前竖直方向加速度a

步骤S3，根据当前俯仰角α、当前翻滚角β、载物台的当前高度h、计算俯仰角α

在本实施方式中，载物台台面的支撑装置可为任何可调节载物台的俯仰角、翻滚角和高度的装置，支撑装置可包括位于载物台台面下的不沿同一条直线分布的3个或3个以上在竖直方向伸缩的支撑机构组成，通过调节每个支撑结构的高度实现载物台的俯仰角、翻滚角和高度调节，或者支撑装置可包括一个360度转动台和位于360度转动台下方的升降机构，360度转动台的台面作为载物台的台面，360度转动台转动实现台面的俯仰角和翻滚角调节。

在一种优选实施方式中，载物台具有不在同一直线上的至少三个支撑机构；步骤S3包括：

步骤A，根据当前俯仰角α、当前翻滚角β、计算俯仰角α

步骤B，获取计算高度h

步骤C，分别获取各个支撑机构的目标调节高度，每个支撑机构的目标调节高度为所述支撑机构的当前高度、第一调节长度和第二调节长度之和；

步骤D，分别调节各个支撑机构的高度达到各自的目标调节高度。

在一种优选实施方式中，步骤S3具体包括：

步骤S31，根据当前俯仰角α、当前翻滚角β、计算俯仰角α

步骤S32，获取计算高度h

步骤S33，分别获取第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的目标调节高度h

步骤S34，分别调节第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的高度达到h

在本实施方式中，载物台的高度是指载物台台面中心到底座的距离。

在一种优选实施方式中，在步骤S3中，第一个支撑机构的第一调节长度Δh

在一种优选实施方式中，在步骤S2中，根据载物台当前纵向加速度a

步骤S21，分别根据载物台当前纵向加速度a

步骤S22，通过倾角系数k

在一种优选实施方式中，在步骤S2中，根据载物台当前竖直方向加速度a

步骤S23，计算载物台产生一个与载物台当前竖直方向加速度a

步骤S24，通过高度系数k

在一种优选实施方式中，倾角系数k

在一种优选实施方式中，在步骤S3中，载物台的当前高度h通过第一支撑机构的当前高度h

在一种优选实施方式中，目标高度的设置方法包括：

步骤S11，将装载载物台的移动装置直行且路面平坦时的预设高度作为目标高度的初始值；

步骤S12，在目标高度的初始值基础上根据实际路况设置实际目标高度，具体包括：

当移动装置启动时，增大目标高度，当移动装置停止时，降低目标高度；

当处于上坡、下坡时，增大目标高度，当处于平坦路面时，降低目标高度；

设置载物台倾角允许范围，实时获取载物台倾角；当载物台倾角在时间T1内连续超出载物台倾角允许范围时，增大目标高度进入倾角保护模式；当进入倾角保护模式后，若载物台倾角在时间T2内连续未超出载物台倾角允许范围时，降低目标高度退出倾角保护模式；T1和T2均大于0。优选的，可将台面的俯仰角作为台面倾角，台面倾角没有方向仅有大小，台面倾角允许范围也仅是对倾角的大小进行限制，T1和T2可预先设置，如T1可设为3秒，T2可设为2秒。

本发明还公开了一种载物台，在一种优选实施方式中，该载物台包括底座、台面、在底座和台面之间设置有不沿同一条直线分布的第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构，第一支撑机构的伸缩端、第二支撑机构的伸缩端、第三支撑机构的伸缩端分别通过一个万向节与台面底部连接，第一支撑机构的下端、第二支撑机构的下端、第三支撑机构的下端固定于底座的上表面，还包括控制器、设于台面上的姿态传感器和加速度传感器，姿态传感器和加速度传感器分别与控制器连接，控制器还分别与第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的控制部连接；控制器接收姿态传感器输出的台面的俯仰角和翻滚角，以及加速度传感器输出的横向加速度、纵向加速度和竖直方向加速度，控制器按照上述自稳定载物台控制方法调节第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的高度。

在本实施方式中，第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构优选但不限于为现有的气缸驱动机构或液压驱动机构，第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构的伸缩端为气缸活塞杆或液压杆。姿态传感器优选但不限于为IMU模块，可输出俯仰角和翻滚角，加速度计可为三轴加速度传感器可输出x，y，z三轴的加速度。姿态传感器和加速度计均可按照在台面底部。通过万向节可使台面相对支撑机构的伸缩端的转动，实现在三个支撑机构不同高度下台面的翻转和倾斜，改变台面姿态。万向节可选择现有结构或产品。

在本实施方式中，姿态传感器与加速度传感器定时将数据发送给控制器，控制器按照上述控制方法计算出三个支撑机构的目标高度后发送给支撑机构的执行机构，执行机构将支柱调节至目标高度控制载物台台面的运动，以此达到减震、保持姿态、调整高度的目的。

在一种优选实施方式中，底座上设置有便于将载物台安装在移动装置上的连接机构。连接结构优选但不限于为螺栓螺孔连接机构。

本发明还公开了一种移动装置，包括移动设备和设于移动设备上的上述载物台，移动设备可自行移动或被动移动，移动设备优选但不限于为机器人(如两轮机器人)或其他被动移动设备(如手推车)。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。