The Mini Wheelbot is a balancing, reaction wheel unicycle robot designed as a testbed for learning-based control. It is an unstable system with highly nonlinear yaw dynamics, non-holonomic driving, and discrete contact switches in a small, powerful, and rugged form factor. The Mini Wheelbot can use its wheels to stand up from any initial orientation - enabling automatic environment resets in repetitive experiments and even challenging half flips. We illustrate the effectiveness of the Mini Wheelbot as a testbed by implementing two popular learning-based control algorithms. First, we showcase Bayesian optimization for tuning the balancing controller. Second, we use imitation learning from an expert nonlinear MPC that uses gyroscopic effects to reorient the robot and can track higher-level velocity and orientation commands. The latter allows the robot to drive around based on user commands - for the first time in this class of robots. The Mini Wheelbot is not only compelling for testing learning-based control algorithms, but it is also just fun to work with, as demonstrated in the video of our experiments.


翻译:微型轮式机器人是一款基于反应轮的自平衡独轮机器人,专为基于学习的控制研究而设计。该系统具有不稳定性,其偏航动力学高度非线性,采用非完整约束驱动,并在紧凑、高功率且坚固的结构中实现了离散接触切换。微型轮式机器人可利用其车轮从任意初始姿态自主站立——这支持在重复性实验中实现环境自动重置,甚至能完成具有挑战性的半周翻转。我们通过实现两种流行的基于学习的控制算法,展示了微型轮式机器人作为测试平台的有效性。首先,我们展示了用于调校平衡控制器的贝叶斯优化方法。其次,我们采用基于专家非线性模型预测控制(MPC)的模仿学习,该控制器利用陀螺效应重新定向机器人,并能跟踪高层速度与姿态指令。后者使机器人首次能在此类机器人中根据用户指令实现自主移动。微型轮式机器人不仅为测试基于学习的控制算法提供了强大平台,其操作过程也极具趣味性,这在我们实验视频中得到了充分展示。

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