一种机器人移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法

技术领域

本发明涉及机器人移动底盘控制技术领域。

背景技术

随着智能科技的快速发展，智能机器人在智能化的工业生产制造中已经逐步替代应用，如可移动的机器人在工业生产制造中的转运、仓储管理、检测等等的应用得到了高效的使用管理效益。

移动机器人产品中的移动底盘常用的行走方式主要有轮式行走、履带式行走、腿式行走、异型轮行走，轮式行走是目前应用较为广泛的一种行走方式，它采用轮子作为机器人行走的主要部件，可以分为前轮驱动、后轮驱动、全轮驱动等几种形式。优点是具有速度快、行驶稳定等优点，适用于平坦地面，但在复杂地形中的通过能力较弱。轮式行走的行走轮一般有麦克纳姆轮、差速轮、舵轮，舵轮为新型轮系部署方案，通过集成转向电机、运动电机及减速器于一体，实现了轮系的转向和行走功能。因舵轮运载能力强，使用寿命长且拥有多种尺寸匹配，成为了新一代智能移动机器人的首选。

目前，对于移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法根据其轮子的选择、布设、运动需求等不同配置需求控制方法各有不同，不同配置需求之间，现有控制方法通常控制效果不理想，故对于此技术领域的控制方法还在不断的研发设计，以使得移动机器人能够在智能制造中进一步的高效应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法，通过该方法移动底盘能够根据上位机下发的给定全向速度可靠控制运动，并可使移动底盘在运动过程中减少转向运动，以满足移动底盘贴合上位机的预定轨迹运动，提升在实际运用中的稳定性和智能性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种机器人移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法，机器人移动底盘包括有若干个轮子，各轮子分别能够独立驱动和独立转向，多独立驱动转向轮控制方法包括给定全向速度分解方法、转向位置与行走速度控制方法和驻车控制方法；

所述给定全向速度分解方法用于对上位机定时下发的给定全向速度进行分解处理得到各个轮子的给定行走速度和给定转向位置，通过转向位置与行走速度控制方法处理得到各轮子最终的给定行走速度和最终的给定转向位置，并下发给移动底盘的行走驱动器和转向驱动器从而进行移动底盘的运动控制，在给定全向速度为零的情况下移动底盘通过驻车控制方法实现可靠停车。

下面以其中1个自定义为轮子一的轮子为例说明所述给定全向速度分解方法得到轮子一的给定行走速度和给定转向位置的方法，其他轮子的给定行走速度和给定转向位置的得到方法参照轮子一的给定行走速度和给定转向位置的得到方法来得到，所述给定全向速度分解方法是：

建立二维坐标系，以移动底盘的几何中心点为原点，x轴的正方向为移动底盘的车头方向，y轴的正方向为移动底盘的右边，移动底盘的中心点逆时针旋转时角速度为正；移动底盘的各轮子中轮子到x轴的垂直距离记为D，轮子到y轴的垂直距离记为H；所述给定全向速度包括给定移动底盘中心点的x轴运动速度记为Vx_ref、y轴运动速度记为Vy_ref和旋转角速度记为w_ref；

轮子一的给定行走速度和给定转向位置的得到方法：

将给定移动底盘中心点的旋转角速度分解到轮子一的旋转角速度x轴方向的x轴给定运动速度，该轮子一旋转角速度x轴方向的x轴给定运动速度记为Vwx_ref1 ，即Vwx_ref1 = -w_ref *D，

将给定移动底盘中心点的旋转角速度分解到轮子一的旋转角速度y轴方向的y轴给定运动速度，该轮子一旋转角速度y轴方向的y轴给定运动速度记为Vwy_ref1，即Vwy_ref1 = w_ref * H，

将给定移动底盘中心点的x轴运动速度分解到轮子一的x轴方向的给定运动速度，该轮子一的x轴方向的给定运动速度记为Vxx_ref1，即Vxx_ref1 = Vx_ref，

将给定移动底盘中心点的y轴运动速度分解到轮子一的y轴方向的给定运动速度，该轮子一的y轴方向的给定运动速度记为Vyy_ref1，即Vyy_ref1 = Vy_ref，

分解给定轮子一的x轴方向的总的x轴给定运动速度记为Vx1_ref，其计算公式为：Vx1_ref = Vxx_ref1 + Vwx_ref1 = Vx_ref - w_ref *D，

分解给定轮子一的y轴方向的总的y轴给定运动速度记为Vy1_ref，其计算公式为：Vy1_ref = Vyy_ref1 + Vwy_ref1 = Vy_ref + w_ref *H，

由Vx1_ref和Vy1_ref合成轮子一的给定速度矢量记为V1，轮子一的给定速度矢量包括上述的轮子一的给定行走速度和上述的轮子一的给定转向位置，

轮子一的给定行走速度记为V1_ref，其计算公式为：V1_ref=

轮子一的给定转向位置记为θ1_ref，其计算公式为：

θ1_ref=arctan（Vy1_ref/ Vx1_ref），

如此，分解得到各轮子的给定行走速度和给定转向位置。

下面以其中1个自定义为轮子一的轮子为例说明所述转向位置与行走速度控制方法得到控制轮子一最终的给定行走速度和最终的给定转向位置的方法，其他轮子最终的给定行走速度和最终的给定转向位置的控制方法参照轮子一最终的给定行走速度和最终的给定转向位置的控制方法得到，所述转向位置与行走速度控制方法是：

移动底盘的轮子一的行走驱动器和转向驱动器实时反馈轮子一的行走速度和转向位置；

轮子一的实时的转向位置记为θ1，轮子一新的给定行走速度初始值记为V1_ref1，轮子一新的给定转向位置初始值记为θ1_ref1，轮子一的给定转向位置与实时的转向位置的误差记为θ1_err，

θ1_err计算公式为：θ1_err = | θ1_ref - θ1|，

判断θ1_err得到轮子一新的给定行走速度初始值和轮子一新的给定转向位置初始值，

如果θ1_err小于或者等于0.5*π，

则V1_ref1 = V1_ref，θ1_ref1 = θ1_ref；

如果θ1_err大于0.5*π而且小于1.5*π，

则V1_ref1 = -V1_ref，θ1_ref1 = θ1_ref + π；

将轮子一新的给定转向位置初始值范围转换到[-2*π，2*π]后得到轮子一的一次处理的给定转向位置记为θ12_ref1，

如果θ1_ref1大于或者等于2*π，则θ12_ref1 = θ1_ref1 - 2*π，

如果θ1_ref1小于或者等于-2*π，则θ12_ref1 = θ1_ref1 + 2*π；

将θ12_ref1和V1_ref1进行转换后得到轮子一的一次处理的给定行走速度记为V12_ref1以及轮子一的二次处理的给定转向位置记为θ123_ref1，轮子一的可转向范围为[-0.75*π，0.75*π]，判断得到轮子一的一次处理的给定行走速度和轮子一的二次处理的给定转向位置，

如果θ12_ref1小于或者等于-0.75*π，

则V12_ref1 = -V1_ref1，θ123_ref1 = θ12_ref1 + π；

如果θ12_ref1大于或者等于0.75*π，

则V12_ref1 = -V1_ref1，θ123_ref1 = θ12_ref1 - π；

如果θ12_ref1大于-0.75*π而且小于0.75*π，

则V12_ref1 = V1_ref1，θ123_ref1 = θ12_ref1，

所述一次处理的给定行走速度即为所述最终的给定行走速度，所述二次处理的给定转向位置即为轮子一的所述最终的给定转向位置，移动底盘控制器将判断得到的轮子一的一次处理的给定行走速度和二次处理的给定转向位置下发给轮子一的行走驱动器和转向驱动器进行轮子一的运动控制，

如此，得到控制其他轮子新的给定行走速度和给定转向位置，下发给各轮子，从而进行移动底盘的运动控制。

所述驻车控制方法是：所述移动底盘包括6个轮子，6个轮子为左右各3个的前、中、后排列，在给定全向速度为零的情况下，移动底盘控制器下发零速度给各轮子的行走驱动器，左前轮子和左后轮子的给定转向位置为0.25*π，右前轮子和右后轮子的给定转向位置为-0.25*π，左中轮子的给定转向位置为-0.25*π，右中轮子的给定转向位置为0.25*π，从而进行控制驻车。

所述轮子采用舵轮。

通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的控制方法在移动底盘定时接收到上位机的给定全向速度后，通过给定全向速度分解方法得到每个轮子的给定行走速度和给定转向位置，通过转向位置与行走速度控制方法得到每个轮子新的给定行走速度和给定转向位置，并下发给轮子的行走驱动器和转向驱动器，实现了在需要大角度转向运动时通过切换行走速度减小转向运动，可使得移动底盘运动快速贴合上位机的给定运动轨迹，在给定全向速度为零的情况下，移动底盘通过驻车控制方法，实现可靠停车。通过上述控制方法移动底盘能够达到准确行走的效果，能够提高移动底盘在实际运行中的稳定性和智能性，从而达到本发明的上述目的。

附图说明

图1是本发明涉及的一种机器人移动底盘底面结构示意图。

图2是本发明涉及的一种机器人移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法中速度分解示意图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本实施例公开的一种机器人移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法，以如图1所示机器人移动底盘包括有6个轮子的结构来进行描述说明，并且这6个轮子分别能够独立驱动、独立转向和具有独立悬架结构，本实施例采用的是舵轮（现有产品），六个轮子均为主动轮，有利于越障，六个轮子通过舵机可独立旋转控制有利于实现移动机器人的转向，实现侧移、原地旋转、行走功能。这里说明一下本发明方法也可参照应用于其他若干个轮子的移动底盘的控制，本实施例不是绝对限定。图中，6个轮子为左右各3个的前、中、后排列，本发明的一种机器人移动底盘的多独立驱动转向轮控制方法主要包括给定全向速度分解方法、转向位置与行走速度控制方法和驻车控制方法三个部分，下面对三个部分的方法处理过程进行详细说明。

首先是所述给定全向速度分解方法，该方法用于对上位机定时下发的给定全向速度进行分解处理得到各个轮子的给定行走速度和给定转向位置，下面以其中1个自定义为轮子一的轮子为例说明所述给定全向速度分解方法得到轮子一的给定行走速度和给定转向位置的方法，其他轮子的给定行走速度和给定转向位置的得到方法参照轮子一的给定行走速度和给定转向位置的得到方法来得到。

所述给定全向速度分解方法的方法过程是：建立二维坐标系，以移动底盘的几何中心点为原点O，x轴的正方向为移动底盘的车头方向，y轴的正方向为移动底盘的右边，移动底盘的中心点逆时针旋转时角速度为正；在二维坐标系中，移动底盘的各轮子中轮子到x轴的垂直距离记为D（单位：m），轮子到y轴的垂直距离记为H（单位：m），即轮子一在二维坐标系的位置（D ,H），如图1和图2所示，图中R为中心点到轮子一的着地点距离；所述给定全向速度包括给定移动底盘中心点的x轴运动速度记为Vx_ref(单位：m/s)、y轴运动速度记为Vy_ref(单位：m/s)和旋转角速度记为w_ref(单位：rad/s)；

轮子一的给定行走速度和给定转向位置的得到方法：

给定的中心点的旋转角速度在轮子一的着地点产生的角速度记为Vw_ref1，这里Vw_ref1 = w_ref*R，将给定移动底盘中心点的旋转角速度分解到轮子一的旋转角速度x轴方向的x轴给定运动速度，该轮子一旋转角速度x轴方向的x轴给定运动速度记为Vwx_ref1(单位：m/s)，即Vwx_ref1 = -Vw_ref1*sinα= -w_ref*R*sinα = -w_ref *D，

将给定移动底盘中心点的旋转角速度分解到轮子一的旋转角速度y轴方向的y轴给定运动速度，该轮子一旋转角速度y轴方向的y轴给定运动速度记为Vwy_ref1(单位：m/s)，即Vwy_ref1 = Vw_ref1*cosα= w_ref*R*cosα = w_ref * H，

将给定移动底盘中心点的x轴运动速度分解到轮子一的x轴方向的给定运动速度，该轮子一的x轴方向的给定运动速度记为Vxx_ref1(单位：m/s)，即Vxx_ref1 = Vx_ref，

将给定移动底盘中心点的y轴运动速度分解到轮子一的y轴方向的给定运动速度，该轮子一的y轴方向的给定运动速度记为Vyy_ref1(单位：m/s)，即Vyy_ref1 = Vy_ref，

分解给定轮子一的x轴方向的总的x轴给定运动速度记为Vx1_ref(单位：m/s)，其计算公式为：Vx1_ref = Vxx_ref1 + Vwx_ref1 = Vx_ref - w_ref *D，

分解给定轮子一的y轴方向的总的y轴给定运动速度记为Vy1_ref(单位：m/s)，其计算公式为：Vy1_ref = Vyy_ref1 + Vwy_ref1 = Vy_ref + w_ref *H，

由Vx1_ref和Vy1_ref合成轮子一的给定速度矢量记为V1，轮子一的给定速度矢量包括上述的轮子一的给定行走速度和上述的轮子一的给定转向位置，

轮子一的给定行走速度记为V1_ref(单位：m/s)，其计算公式为：V1_ref=

轮子一的给定转向位置记为θ1_ref，其计算公式为：

θ1_ref=arctan（Vy1_ref/ Vx1_ref）。

如此，其他5个轮子的给定行走速度和给定转向位置可以按照同样方法得到, 分解得到各轮子的给定行走速度和给定转向位置如下：

轮子二在x轴的总的给定运动速度Vx2_ref = Vxx_ref2 + Vwx_ref2 = Vx_ref -w_ref *D，轮子二在y轴的总的给定运动速度Vy2_ref = Vyy_ref2 + Vwy_ref2 = Vy_ref，由Vx2_ref和Vy2_ref可合成轮子二的给定速度矢量V2，轮子二的给定速度矢量包括轮子二的给定行走速度 V2_ref=

轮子三在x轴的总的给定运动速度Vx3_ref = Vxx_ref3 + Vwx_ref3 = Vx_ref -w_ref *D，轮子三在y轴的总的给定运动速度Vy3_ref = Vyy_ref3 + Vwy_ref3 = Vy_ref- w_ref *H，由Vx3_ref和Vy3_ref可合成轮子三的给定速度矢量V3，轮子三的给定速度矢量V3包括轮子三的给定行走速度V3_ref=

轮子四在x轴的总的给定运动速度Vx4_ref = Vxx_ref4 + Vwx_ref4 = Vx_ref +w_ref *D，轮子四在y轴的总的给定运动速度Vy4_ref = Vyy_ref4 + Vwy_ref4 = Vy_ref+ w_ref *H，由Vx4_ref和Vy4_ref可合成轮子四的给定速度矢量V4，轮子四的给定速度矢量V4包括轮子四的给定行走速度V4_ref=

轮子五在x轴的总的给定运动速度Vx5_ref = Vxx_ref5 + Vwx_ref5 = Vx_ref +w_ref *D，轮子五在y轴的总的给定运动速度Vy5_ref = Vyy_ref5 + Vwy_ref5 = Vy_ref，由Vx5_ref和Vy5_ref可合成轮子五的给定速度矢量V5，轮子五的给定速度矢量V5包括轮子五的给定行走速度 V5_ref=

轮子六在x轴的总的给定运动速度Vx6_ref = Vxx_ref6 + Vwx_ref6 = Vx_ref +w_ref *D，轮子六在y轴的总的给定运动速度Vy6_ref = Vyy_ref6 + Vwy_ref6 = Vy_ref- w_ref *H，由Vx6_ref和Vy6_ref可合成轮子六的给定速度矢量V6，轮子六的给定速度矢量V6包括轮子六的给定行走速度 V6_ref=

再来是所述转向位置与行走速度控制方法，通过该方法处理得到各轮子最终的给定行走速度和最终的给定转向位置，并下发给移动底盘的行走驱动器和转向驱动器从而进行移动底盘的运动控制，下面以其中1个自定义为轮子一的轮子为例说明所述转向位置与行走速度控制方法得到控制轮子一最终的给定行走速度和最终的给定转向位置的方法，其他轮子最终的给定行走速度和最终的给定转向位置的控制方法参照轮子一最终的给定行走速度和最终的给定转向位置的控制方法得到，所述转向位置与行走速度控制方法是：

移动底盘的轮子一的行走驱动器和转向驱动器实时反馈轮子一的行走速度和转向位置；

轮子一的实时的转向位置记为θ1，轮子一新的给定行走速度初始值记为V1_ref1(单位：m/s)，轮子一新的给定转向位置初始值记为θ1_ref1，轮子一的给定转向位置与实时的转向位置的误差记为θ1_err，

θ1_err计算公式为：θ1_err = | θ1_ref - θ1|，

判断θ1_err得到轮子一新的给定行走速度初始值和轮子一新的给定转向位置初始值，

如果θ1_err小于或者等于0.5*π，

则V1_ref1 = V1_ref，θ1_ref1 = θ1_ref；

如果θ1_err大于0.5*π而且小于1.5*π，

则V1_ref1 = -V1_ref，θ1_ref1 = θ1_ref + π；

将轮子一新的给定转向位置初始值范围转换到[-2*π，2*π]后得到轮子一的一次处理的给定转向位置记为θ12_ref1，

如果θ1_ref1大于或者等于2*π，则θ12_ref1 = θ1_ref1 - 2*π，

如果θ1_ref1小于或者等于-2*π，则θ12_ref1 = θ1_ref1 + 2*π；

由于轮子一的可转向范围为[-0.75*π，0.75*π]，需将θ12_ref1和V1_ref1进行转换后得到轮子一的一次处理的给定行走速度记为V12_ref1以及轮子一的二次处理的给定转向位置记为θ123_ref1，判断得到轮子一的一次处理的给定行走速度和轮子一的二次处理的给定转向位置，

如果θ12_ref1小于或者等于-0.75*π，

则V12_ref1 = -V1_ref1，θ123_ref1 = θ12_ref1 + π；

如果θ12_ref1大于或者等于0.75*π，

则V12_ref1 = -V1_ref1，θ123_ref1 = θ12_ref1 - π；

如果θ12_ref1大于-0.75*π而且小于0.75*π，

则V12_ref1 = V1_ref1，θ123_ref1 = θ12_ref1，

所述一次处理的给定行走速度即为所述最终的给定行走速度，所述二次处理的给定转向位置即为轮子一的所述最终的给定转向位置，移动底盘控制器将判断得到的轮子一的一次处理的给定行走速度和二次处理的给定转向位置下发给轮子一的行走驱动器和转向驱动器进行轮子一的运动控制，

如此，得到控制其他轮子新的给定行走速度和给定转向位置，下发给各轮子，从而进行移动底盘的运动控制。

最后是所述驻车控制方法，所述驻车控制方法在给定全向速度为零的情况下能够实现可靠停车，所述驻车控制方法是：所述移动底盘包括6个轮子，6个轮子为左右各3个的前、中、后排列，在给定全向速度为零的情况下，移动底盘控制器下发零速度给各轮子的行走驱动器，左前轮子和左后轮子的给定转向位置为0.25*π，右前轮子和右后轮子的给定转向位置为-0.25*π，左中轮子的给定转向位置为-0.25*π，右中轮子的给定转向位置为0.25*π，从而可靠的进行控制驻车。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。