基于IMU和运动学的四足机器人对角支撑状态估计算法

作     者：陈辉 任志刚 冯祖仁 刘帅 冷昊熹 

作者机构：西安交通大学自动化科学与工程学院 

出 版 物：《控制与决策》 (Control and Decision)

年 卷 期：2024年第9期

页      面：2894-2902页

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(62373296) 

主　　题：状态估计 四足机器人 运动学 欠约束 惯性测量单元 对角支撑 

摘      要：对角支撑是四足机器人复杂动态以及线性行走必备的一种状态.然而,目前鲜有有效的状态估计算法,无法支撑相应控制策略.为此,提出一种融合惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)和运动学约束的状态估计算法.首先,针对对角支撑状态下运动学模型欠约束带来的位姿估计难题,通过分解机身坐标系到参考坐标系的变换矩阵,简化运动学方程,并利用IMU提供的可信俯仰和横滚角测量值,推导获得其余4个位姿量的解析式;然后,进一步基于腿部微分运动学和IMU提供的俯仰和横滚角速率,结合位姿量的导数获得线速度和偏航角速率的解析式;最后,通过仿真分析验证所提出算法的有效性.实验结果表明:位姿估计值准确、无漂移,偏航角速率和线速度的均方根误差分别小于2 deg/s和9 mm/s,优于现有算法且满足实际控制需求.