轮腿平衡机器人MPC控制系统

本发明涉及机器人控制，尤其涉及轮腿平衡机器人mpc控制系统。

背景技术：

1、近年来，串联轮腿平衡机器人因其兼具轮式的高效与腿式的越障能力而受到广泛关注。然而，在实际工程应用中，现有的控制方案面临诸多挑战。首先是理论模型与真实机器人之间的误差问题，例如质心偏置、关节摩擦、轮毂减速箱摩擦、地面摩擦以及装配误差等都会造成模型失配，亟需一种能够在线精确估计等效扰动力矩并向控制通道映射补偿的机制。其次是外部冲击和瞬时扰动导致的失稳问题，当机器人遇到地面凸起、台阶碰撞和飞坡落地等情况时会产生瞬时冲击，系统极易将这些瞬时冲击误判为长期模型偏差，从而引发控制发散。

2、此外，传统线性二次型调节器（lqr）控制方案无法处理电机硬限幅的问题，在大误差状态下容易输出超过电机实际能力的控制量，而简单的截断处理又会破坏原有的最优控制轨迹。为了解决约束与限幅问题，受限非线性优化方案被引入，但这又导致了在线优化计算量过大与嵌入式硬件平台实时性要求之间的严峻矛盾，如何在极其有限的算力周期（如2ms）内完成矩阵求解与滚动优化成为工程痛点。

3、现有技术在应对单一执行器（如轮毂电机）逼近物理饱和限幅时，通常仅能在算法数学层面进行局部的约束截断或整体降额，无法利用轮腿系统本身多自由度的冗余特性在执行器之间进行底层负荷的代偿转移；尤其是在长期抗扰导致局部关节电机热积聚过载时，现有控制系统缺乏跨越数学控制律与机器人物理构型之间的深度交互反馈机制，无法主动重构机器人的平衡姿态（如改变长短腿构型）从物理根源上消除环境偏置扰动，最终极易导致执行器热失控或整机在极端地形下的动态降维失稳，因此需要设计轮腿平衡机器人mpc控制系统来解决上述问题。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术状况，提出了本申请。本申请的实施例提供了轮腿平衡机器人mpc控制系统，其化解了单节点长时间高压抗扰导致的饱和死锁与热损伤风险，避免了常规硬截断带来的轨迹失真，实现了在极端扰动工况下高鲁棒性的自适应平衡控制。

2、根据本申请的一个方面，提供了轮腿平衡机器人mpc控制系统，包括：

3、边界修正模块，用于获取当前周期的系统状态参量及上一周期的输入参量，基于所述系统状态参量与所述输入参量计算稳态参量，并利用所述稳态参量修正第一执行端与第二执行端的初始限幅边界，得到第一约束边界；

4、负荷转移模块，用于基于所述系统状态参量确定逆映射矩阵，依据所述逆映射矩阵确定空间基向量，所述空间基向量为执行端力矩空间中使该腿净虚拟支撑力保持不变的调整方向向量，当所述第一执行端的第一约束边界达到预设的下限阈值时，依据所述空间基向量生成转移参量，利用所述转移参量将所述第一执行端的稳态负荷转移至所述第二执行端，并更新对应的所述第一约束边界，得到第二约束边界；

5、状态更新模块，用于对所述第二执行端的输出功率进行时间积分得到积分参量，当所述积分参量超过预设的能耗阈值时，基于所述系统状态参量解算偏移参量，将所述偏移参量与预设的第一参考状态进行叠加，得到第二参考状态；

6、求解与执行模块，用于根据所述第二约束边界与所述第二参考状态执行优化求解，提取生成的首拍控制参量作为实际输出参量执行反馈调节，并将所述实际输出参量作为下一周期的输入参量。

7、根据本申请的另一个方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如上所述系统的功能。

8、根据本申请的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如上所述系统的功能。

9、与现有技术相比，采用根据本申请实施例的轮腿平衡机器人mpc控制系统，通过对执行端的初始限幅边界进行修正，能够反映机器人在面临地形起伏或外部持续扰动时，底层各驱动节点真实可用的动作裕度，降低了因物理边界评估偏差而引发的控制量溢出风险；当第一执行端的约束边界达到下限阈值时，系统能够依据该空间基向量生成转移参量，将第一执行端无法继续承担的稳态负荷按比例过渡至第二执行端，从而在维持机器人整体动力学平衡的前提下，利用机体的多自由度冗余特性分摊了局部高压负荷，保障了系统在单节点受限工况下的运动稳定性；

10、通过对第二执行端的输出功率进行时间积分，量化评估了执行机构的能量累积及发热疲劳状态，系统通过解算偏移参量主动调整第一参考状态，实现目标姿态的重构，将底层的物理能耗直接反馈至上层的参考轨迹规划中，通过物理构型的改变从力学源头上卸载持续性负荷，防止了执行端因长期处于高负荷抗扰状态而导致的热损伤；求解与执行模块将上述更新后的第二约束边界与第二参考状态一并纳入优化求解域中进行运算，这种架构将动态物理约束直接作为前置条件融合于优化求解过程内，规避了常规算法中先求解最优控制量再进行限幅硬截断所导致的轨迹失真与控制发散问题。

1.轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，在依据所述空间基向量生成转移参量之前，还包括：

3.根据权利要求2所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，所述代偿裕度参量的获取，包括：

4.根据权利要求2所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，所述约束承载区间的生成，包括：

5.根据权利要求1所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，所述将所述第一执行端的稳态负荷转移至所述第二执行端，包括：

6.根据权利要求1所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，所述执行反馈调节，包括：

7.根据权利要求6所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，所述计算约束下降步长，包括：

8.根据权利要求1所述的轮腿平衡机器人mpc控制系统，其特征在于，所述得到第二参考状态，包括：

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于：所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1~8任一所述系统的功能。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，其特征在于：所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1~8任一所述系统的功能。