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16 KiB
Matlab
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% v1：这份LQR程序是参考我之前写的哈工程LQR程序以及小周写的AB矩阵求解器优化后写出来的，感谢周神（2024/05/07）
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% v2：添加了可以专门调试定腿长的功能（2024/05/08）
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% v3：优化部分注释，添加单位说明（2024/05/15）
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% v4: 优化了输出，输出矩阵K的系数可以真正的复制到C里（2024/05/16）
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% 以下所有变量含义参考2023上交轮腿电控开源（https://bbs.robomaster.com/forum.php?mod=viewthread&tid=22756）所使用符号含义
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Step 0：重置程序，定义变量%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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tic
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clear all
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clc
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% 定义机器人机体参数
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syms R_w % 驱动轮半径
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syms R_l % 驱动轮轮距/2
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syms l_l l_r % 左右腿长
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syms l_wl l_wr % 驱动轮质心到左右腿部质心距离
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syms l_bl l_br % 机体质心到左右腿部质心距离
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syms l_c % 机体质心到腿部关节中心点距离
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syms m_w m_l m_b % 驱动轮质量 腿部质量 机体质量
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syms I_w % 驱动轮转动惯量 (自然坐标系法向)
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syms I_ll I_lr % 驱动轮左右腿部转动惯量 (自然坐标系法向，实际上会变化)
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syms I_b % 机体转动惯量 (自然坐标系法向)
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syms I_z % 机器人z轴转动惯量 (简化为常量)
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% 定义其他独立变量并补充其导数
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syms theta_wl theta_wr % 左右驱动轮转角
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syms dtheta_wl dtheta_wr
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syms ddtheta_wl ddtheta_wr ddtheta_ll ddtheta_lr ddtheta_b
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% 定义状态向量
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syms s ds phi dphi theta_ll dtheta_ll theta_lr dtheta_lr theta_b dtheta_b
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% 定义控制向量
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syms T_wl T_wr T_bl T_br
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% 输入物理参数：重力加速度
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syms g
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Step 1：解方程，求控制矩阵A，B%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 通过原文方程组(3.11)-(3.15)，求出ddtheta_wl,ddtheta_wr,ddtheta_ll,ddtheta_lr,ddtheta_b表达式
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eqn1 = (I_w*l_l/R_w+m_w*R_w*l_l+m_l*R_w*l_bl)*ddtheta_wl+(m_l*l_wl*l_bl-I_ll)*ddtheta_ll+(m_l*l_wl+m_b*l_l/2)*g*theta_ll+T_bl-T_wl*(1+l_l/R_w)==0;
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eqn2 = (I_w*l_r/R_w+m_w*R_w*l_r+m_l*R_w*l_br)*ddtheta_wr+(m_l*l_wr*l_br-I_lr)*ddtheta_lr+(m_l*l_wr+m_b*l_r/2)*g*theta_lr+T_br-T_wr*(1+l_r/R_w)==0;
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||
eqn3 = -(m_w*R_w*R_w+I_w+m_l*R_w*R_w+m_b*R_w*R_w/2)*ddtheta_wl-(m_w*R_w*R_w+I_w+m_l*R_w*R_w+m_b*R_w*R_w/2)*ddtheta_wr-(m_l*R_w*l_wl+m_b*R_w*l_l/2)*ddtheta_ll-(m_l*R_w*l_wr+m_b*R_w*l_r/2)*ddtheta_lr+T_wl+T_wr==0;
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eqn4 = (m_w*R_w*l_c+I_w*l_c/R_w+m_l*R_w*l_c)*ddtheta_wl+(m_w*R_w*l_c+I_w*l_c/R_w+m_l*R_w*l_c)*ddtheta_wr+m_l*l_wl*l_c*ddtheta_ll+m_l*l_wr*l_c*ddtheta_lr-I_b*ddtheta_b+m_b*g*l_c*theta_b-(T_wl+T_wr)*l_c/R_w-(T_bl+T_br)==0;
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eqn5 = ((I_z*R_w)/(2*R_l)+I_w*R_l/R_w)*ddtheta_wl-((I_z*R_w)/(2*R_l)+I_w*R_l/R_w)*ddtheta_wr+(I_z*l_l)/(2*R_l)*ddtheta_ll-(I_z*l_r)/(2*R_l)*ddtheta_lr-T_wl*R_l/R_w+T_wr*R_l/R_w==0;
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||
[ddtheta_wl,ddtheta_wr,ddtheta_ll,ddtheta_lr,ddtheta_b] = solve(eqn1,eqn2,eqn3,eqn4,eqn5,ddtheta_wl,ddtheta_wr,ddtheta_ll,ddtheta_lr,ddtheta_b);
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% 通过计算雅可比矩阵的方法得出控制矩阵A，B所需要的全部偏导数
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J_A = jacobian([ddtheta_wl,ddtheta_wr,ddtheta_ll,ddtheta_lr,ddtheta_b],[theta_ll,theta_lr,theta_b]);
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J_B = jacobian([ddtheta_wl,ddtheta_wr,ddtheta_ll,ddtheta_lr,ddtheta_b],[T_wl,T_wr,T_bl,T_br]);
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% 定义矩阵A，B，将指定位置的数值根据上述偏导数计算出来并填入
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A = sym('A',[10 10]);
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B = sym('B',[10 4]);
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% 填入A数据：a25,a27,a29,a45,a47,a49,a65,a67,a69,a85,a87,a89,a105,a107,a109
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||
for p = 5:2:9
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||
A_index = (p - 3)/2;
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||
A(2,p) = R_w*(J_A(1,A_index) + J_A(2,A_index))/2;
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||
A(4,p) = (R_w*(- J_A(1,A_index) + J_A(2,A_index)))/(2*R_l) - (l_l*J_A(3,A_index))/(2*R_l) + (l_r*J_A(4,A_index))/(2*R_l);
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||
for q = 6:2:10
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||
A(q,p) = J_A(q/2,A_index);
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||
end
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||
end
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% A的以下数值为1：a12,a34,a56,a78,a910，其余数值为0
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for r = 1:10
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if rem(r,2) == 0
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A(r,1) = 0; A(r,2) = 0; A(r,3) = 0; A(r,4) = 0; A(r,6) = 0; A(r,8) = 0; A(r,10) = 0;
|
||
else
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||
A(r,:) = zeros(1,10);
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A(r,r+1) = 1;
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||
end
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||
end
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% 填入B数据：b21,b22,b23,b24,b41,b42,b43,b44,b61,b62,b63,b64,b81,b82,b83,b84,b101,b102,b103,b104,
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for h = 1:4
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||
B(2,h) = R_w*(J_B(1,h) + J_B(2,h))/2;
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||
B(4,h) = (R_w*(- J_B(1,h) + J_B(2,h)))/(2*R_l) - (l_l*J_B(3,h))/(2*R_l) + (l_r*J_B(4,h))/(2*R_l);
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||
for f = 6:2:10
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||
B(f,h) = J_B(f/2,h);
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||
end
|
||
end
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||
% B的其余数值为0
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for e = 1:2:9
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B(e,:) = zeros(1,4);
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end
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Step 2：输入参数（可以修改的部分）%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 物理参数赋值（唯一此处不可改变！），后面的数据通过增加后缀_ac区分模型符号和实际数据
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g_ac = 9.81;
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 此处可以输入机器人机体基本参数 %
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%机器人机体与轮部参数%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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R_w_ac = 0.9; % 驱动轮半径 （单位：m）
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R_l_ac = 0.25; % 两个驱动轮之间距离/2 （单位：m）
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l_c_ac = 0.037; % 机体质心到腿部关节中心点距离 （单位：m）
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m_w_ac = 0.8; m_l_ac = 1.6183599; m_b_ac = 11.542; % 驱动轮质量 腿部质量 机体质量 （单位：kg）
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I_w_ac = (3510000)*10^(-7); % 驱动轮转动惯量 （单位：kg m^2）
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||
I_b_ac = 0.260; % 机体转动惯量(自然坐标系法向) （单位：kg m^2）
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I_z_ac = 0.226; % 机器人z轴转动惯量 （单位：kg m^2）
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%机器人腿部参数（定腿长调试用）%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 如果需要使用此部分，请去掉120-127行以及215-218行注释，然后将224行之后的所有代码注释掉
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% 或者点击左侧数字"224"让程序只运行行之前的内容并停止
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l_l_ac = 0.18; % 左腿摆杆长度 （左腿对应数据） （单位：m）
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||
l_wl_ac = 0.05; % 左驱动轮质心到左腿摆杆质心距离 （单位：m）
|
||
l_bl_ac = 0.13; % 机体转轴到左腿摆杆质心距离 （单位：m）
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||
I_ll_ac = 0.02054500; % 左腿摆杆转动惯量 （单位：kg m^2）
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||
l_r_ac = 0.18; % 右腿摆杆长度 （右腿对应数据） （单位：m）
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||
l_wr_ac = 0.05; % 右驱动轮质心到右腿摆杆质心距离 （单位：m）
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||
l_br_ac = 0.13; % 机体转轴到右腿摆杆质心距离 （单位：m）
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||
I_lr_ac = 0.02054500; % 右腿摆杆转动惯量 （单位：kg m^2）
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% 机体转轴定义参考哈工程开源（https://zhuanlan.zhihu.com/p/563048952），是左右
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% 两侧两个关节电机之间的中间点相连所形成的轴
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% （如果目的是小板凳，考虑使左右腿相关数据一致）
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%机器人腿部参数数据集%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 根据不同腿长长度，先针对左腿测量出对应的l_wl，l_bl，和I_ll
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% 通过以下方式记录数据: 矩阵分4列，
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% 第一列为左腿腿长范围区间中所有小数点精度0.01的长度，例如：0.09，0.18，单位：m
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% 第二列为l_wl，单位：m
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% 第三列为l_bl，单位：m
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% 第四列为I_ll，单位：kg m^2
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% （注意单位别搞错！）
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% 行数根据L_0范围区间（，单位cm时）的整数数量进行调整
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Leg_data_l = [0.11, 0.0480, 0.0620, 0.01819599;
|
||
0.12, 0.0470, 0.0730, 0.01862845;
|
||
0.13, 0.0476, 0.0824, 0.01898641;
|
||
0.14, 0.0480, 0.0920, 0.01931342;
|
||
0.15, 0.0490, 0.1010, 0.01962521;
|
||
0.16, 0.0500, 0.1100, 0.01993092;
|
||
0.17, 0.0510, 0.1190, 0.02023626;
|
||
0.18, 0.0525, 0.1275, 0.02054500;
|
||
0.19, 0.0539, 0.1361, 0.02085969;
|
||
0.20, 0.0554, 0.1446, 0.02118212;
|
||
0.21, 0.0570, 0.1530, 0.02151357;
|
||
0.22, 0.0586, 0.1614, 0.02185496;
|
||
0.23, 0.0600, 0.1700, 0.02220695;
|
||
0.24, 0.0621, 0.1779, 0.02256999;
|
||
0.25, 0.0639, 0.1861, 0.02294442;
|
||
0.26, 0.0657, 0.1943, 0.02333041;
|
||
0.27, 0.0676, 0.2024, 0.02372806;
|
||
0.28, 0.0700, 0.2100, 0.02413735;
|
||
0.29, 0.0713, 0.2187, 0.02455817;
|
||
0.30, 0.0733, 0.2267, 0.02499030];
|
||
% 以上数据应通过实际测量或sw图纸获得
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% 由于左右腿部数据通常完全相同，我们通过复制的方式直接定义右腿的全部数据集
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% 矩阵分4列，第一列为右腿腿长范围区间中（，单位cm时）的整数腿长l_r*0.01，第二列为l_wr，第三列为l_br，第四列为I_lr）
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Leg_data_r = Leg_data_l;
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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||
% 此处可以输入QR矩阵 %
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 矩阵Q中，以下列分别对应：
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||
% s ds phi dphi theta_ll dtheta_ll theta_lr dtheta_lr theta_b dtheta_b
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||
lqr_Q = [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0;
|
||
0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0;
|
||
0, 0, 12000, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0;
|
||
0, 0, 0, 200, 0, 0, 0, 0, 0, 0;
|
||
0, 0, 0, 0, 1000, 0, 0, 0, 0, 0;
|
||
0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0;
|
||
0, 0, 0, 0, 0, 0, 1000, 0, 0, 0;
|
||
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0;
|
||
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 20000, 0;
|
||
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1];
|
||
% 其中：
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||
% s : 自然坐标系下机器人水平方向移动距离，单位：m，ds为其导数
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||
% phi ：机器人水平方向移动时yaw偏航角度，dphi为其导数
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||
% theta_ll：左腿摆杆与竖直方向（自然坐标系z轴）夹角，dtheta_ll为其导数
|
||
% theta_lr：右腿摆杆与竖直方向（自然坐标系z轴）夹角，dtheta_lr为其导数
|
||
% theta_b ：机体与自然坐标系水平夹角，dtheta_b为其导数
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||
|
||
% 矩阵中，以下列分别对应：
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% T_wl T_wr T_bl T_br
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lqr_R = [0.25, 0, 0, 0;
|
||
0, 0.25, 0, 0;
|
||
0, 0, 1.5, 0;
|
||
0, 0, 0, 1.5];
|
||
% 其中：
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||
% T_wl: 左侧驱动轮输出力矩
|
||
% T_wr：右侧驱动轮输出力矩
|
||
% T_bl：左侧髋关节输出力矩
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||
% T_br：右腿髋关节输出力矩
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% 单位皆为Nm
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Step 2.5：求解矩阵（定腿长调试用）%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 如果需要使用此部分，请去掉120-127行以及215-218行注释，然后将224行之后的所有代码注释掉，
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% 或者点击左侧数字"224"让程序只运行行之前的内容并停止
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||
K = get_K_from_LQR(R_w,R_l,l_l,l_r,l_wl,l_wr,l_bl,l_br,l_c,m_w,m_l,m_b,I_w,I_ll,I_lr,I_b,I_z,g, ...
|
||
R_w_ac,R_l_ac,l_l_ac,l_r_ac,l_wl_ac,l_wr_ac,l_bl_ac,l_br_ac, ...
|
||
l_c_ac,m_w_ac,m_l_ac,m_b_ac,I_w_ac,I_ll_ac,I_lr_ac,I_b_ac,I_z_ac,g_ac, ...
|
||
A,B,lqr_Q,lqr_R)
|
||
K = sprintf([strjoin(repmat({'%.5g'},1,size(K,2)),', ') '\n'], K.')
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||
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||
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Step 3：拟合控制律函数%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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sample_size = size(Leg_data_l,1)^2; % 单个K_ij拟合所需要的样本数
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length = size(Leg_data_l,1); % 测量腿部数据集的行数
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||
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||
% 定义所有K_ij依据l_l,l_r变化的表格，每一个表格有3列，第一列是l_l，第二列
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||
% 是l_r，第三列是对应的K_ij的数值
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||
K_sample = zeros(sample_size,3,40); % 40是因为增益矩阵K应该是4行10列。
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for i = 1:length
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for j = 1:length
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index = (i - 1)*length + j;
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||
l_l_ac = Leg_data_l(i,1); % 提取左腿对应的数据
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||
l_wl_ac = Leg_data_l(i,2);
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||
l_bl_ac = Leg_data_l(i,3);
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||
I_ll_ac = Leg_data_l(i,4);
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||
l_r_ac = Leg_data_r(j,1); % 提取右腿对应的数据
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||
l_wr_ac = Leg_data_r(j,2);
|
||
l_br_ac = Leg_data_r(j,3);
|
||
I_lr_ac = Leg_data_r(j,4);
|
||
for k = 1:40
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||
K_sample(index,1,k) = l_l_ac;
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||
K_sample(index,2,k) = l_r_ac;
|
||
end
|
||
K = get_K_from_LQR(R_w,R_l,l_l,l_r,l_wl,l_wr,l_bl,l_br,l_c,m_w,m_l,m_b,I_w,I_ll,I_lr,I_b,I_z,g, ...
|
||
R_w_ac,R_l_ac,l_l_ac,l_r_ac,l_wl_ac,l_wr_ac,l_bl_ac,l_br_ac, ...
|
||
l_c_ac,m_w_ac,m_l_ac,m_b_ac,I_w_ac,I_ll_ac,I_lr_ac,I_b_ac,I_z_ac,g_ac, ...
|
||
A,B,lqr_Q,lqr_R);
|
||
% 根据指定的l_l,l_r输入对应的K_ij的数值
|
||
for l = 1:4
|
||
for m = 1:10
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||
K_sample(index,3,(l - 1)*10 + m) = K(l,m);
|
||
end
|
||
end
|
||
end
|
||
end
|
||
|
||
% 创建收集全部K_ij的多项式拟合的全部系数的集合
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||
K_Fit_Coefficients = zeros(40,6);
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||
for n = 1:40
|
||
K_Surface_Fit = fit([K_sample(:,1,n),K_sample(:,2,n)],K_sample(:,3,n),'poly22');
|
||
K_Fit_Coefficients(n,:) = coeffvalues(K_Surface_Fit); % 拟合并提取出拟合的系数结果
|
||
end
|
||
Polynomial_expression = formula(K_Surface_Fit)
|
||
|
||
% 最终返回的结果K_Fit_Coefficients是一个40行6列矩阵，每一行分别对应一个K_ij的多项式拟合的全部系数
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||
% 每一行和K_ij的对应关系如下：
|
||
% - 第1行对应K_1,1
|
||
% - 第14行对应K_2,4
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||
% - 第22行对应K_3,2
|
||
% - 第37行对应K_4,7
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||
% ... 其他行对应关系类似
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||
% 拟合出的函数表达式为 p(x,y) = p00 + p10*x + p01*y + p20*x^2 + p11*x*y + p02*y^2
|
||
% 其中x对应左腿腿长l_l，y对应右腿腿长l_r
|
||
% K_Fit_Coefficients每一列分别对应全部K_ij的多项式拟合的单个系数
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||
% 每一列和系数pij的对应关系如下：
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||
% - 第1列对应p00
|
||
% - 第2列对应p10
|
||
% - 第3列对应p01
|
||
% - 第4列对应p20
|
||
% - 第5列对应p11
|
||
% - 第6列对应p02
|
||
K_Fit_Coefficients = sprintf([strjoin(repmat({'%.5g'},1,size(K_Fit_Coefficients,2)),', ') '\n'], K_Fit_Coefficients.')
|
||
|
||
% 正确食用方法：
|
||
% 1.在C代码中写出控制律K矩阵的全部多项式，其中每一个多项式的表达式为：
|
||
% p(l_l,l_r) = p00 + p10*l_l + p01*l_r + p20*l_l^2 + p11*l_l*l_r + p02*l_r^2
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% 2.并填入对应系数即可
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toc
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%以下信息仅供参考，可忽略%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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% 如有需要可以把所有K_ij画出图来参考，可以去掉以下注释
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% 此版本只能同时查看其中一个K_ij，同时查看多个的功能下次更新
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% （前面的蛆，以后再来探索吧（bushi
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%得出控制矩阵K使用的函数%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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function K = get_K_from_LQR(R_w,R_l,l_l,l_r,l_wl,l_wr,l_bl,l_br,l_c,m_w,m_l,m_b,I_w,I_ll,I_lr,I_b,I_z,g, ...
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R_w_ac,R_l_ac,l_l_ac,l_r_ac,l_wl_ac,l_wr_ac,l_bl_ac,l_br_ac, ...
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l_c_ac,m_w_ac,m_l_ac,m_b_ac,I_w_ac,I_ll_ac,I_lr_ac,I_b_ac,I_z_ac,g_ac, ...
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A,B,lqr_Q,lqr_R)
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% 基于机体以及物理参数，获得控制矩阵A，B的全部数值
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A_ac = subs(A,[R_w R_l l_l l_r l_wl l_wr l_bl l_br l_c m_w m_l m_b I_w I_ll I_lr I_b I_z g], ...
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[R_w_ac R_l_ac l_l_ac l_r_ac l_wl_ac l_wr_ac l_bl_ac l_br_ac l_c_ac ...
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m_w_ac m_l_ac m_b_ac I_w_ac I_ll_ac I_lr_ac I_b_ac I_z_ac g_ac]);
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B_ac = subs(B,[R_w R_l l_l l_r l_wl l_wr l_bl l_br l_c m_w m_l m_b I_w I_ll I_lr I_b I_z g], ...
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[R_w_ac R_l_ac l_l_ac l_r_ac l_wl_ac l_wr_ac l_bl_ac l_br_ac l_c_ac ...
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m_w_ac m_l_ac m_b_ac I_w_ac I_ll_ac I_lr_ac I_b_ac I_z_ac g_ac]);
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% 根据以上信息和提供的矩阵Q和R求解Riccati方程，获得增益矩阵K
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% P为Riccati方程的解，矩阵L可以无视
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[P,K,L_k] = icare(A_ac,B_ac,lqr_Q,lqr_R,[],[],[]);
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end
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