一种非时间参考的差速驱动机器人路线跟踪控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于差速驱动机器人的路线跟踪控制技术领域，特别涉及适用于两轮、三 轮、四轮、六轮等，基于差速驱动的轮式机器人和轮式走行装置的路线跟踪控制。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会的进步和科学技术的发展，轮式移动机器人已在人们生产和生活的 多个领域得到了广泛的应用，如生产车间中的货物搬运机器人、医院中的药品传输机器人、 室内地面清洁机器人、智能轮椅机器人等。差速驱动机器人采用2个伺服电机控制车轮速 度，实现目标路线或目标点的跟踪，因结构简单，传动效率高和控制灵活被广泛使用。机器 人的路线跟随能力是其实现特定任务的关键。
[0003] 目前机器人路线控制多采用PID控制、模糊逻辑等方法，控制机器人沿目标路线运 动，或设计轮速随时间变化的函数，来实现机器人的路线跟踪。机器人运动学模型为强非线 性系统，传统的PID控制方法不适用于强非线性系统。基于模糊控制逻辑的路线跟踪控制器 结构不易确定，且需大量实验操作数据训练模糊控制器。采用设计轮速随时间变化函数实 现机器人路线跟踪的方法，对车轮速度控制精度要求较高，当驱动电机出现速度控制偏差 时，导致路线跟踪失败。
[0004] 本发明适用的已有轮式机器人包括，图1所示的三轮机器人、图2所示的四轮机器 人、图3所示的六轮机器人等基于两轮差速驱动行驶的多轮机器人。
[0005] 图1中的三轮机器人包括:机器人底盘11、驱动轮12、驱动轮13、驱动电机14、驱动 电机15、控制器16、电源设备17、万向轮18,其中驱动电机14包括转子141和定子142,驱动电 机15又包括转子151和定子152。图1中：驱动轮12与机器人底盘11通过驱动电机14连接，驱 动电机14的转子141与驱动轮12固接，驱动电机14的定子142固接于机器人底盘11;驱动轮 13与机器人底盘11通过驱动电机15连接，驱动电机15的转子151与驱动轮13固接，驱动电机 15的定子152固接于机器人底盘11;控制器16固定在机器人底盘11上，与外界定位系统进行 通信，实时获取路线信息及机器人的位置和方位角信息，根据目标路线信息及机器人的位 置和方位角计算驱动轮12和驱动轮13的运动速度，并将速度指令发送给驱动电机14和驱动 电机15,然后驱动电机14和驱动电机15执行接收到的速度指令；电源设备17固定在机器人 底盘11上，给驱动电机14和驱动电机15及控制器16供电。万向轮18固定在机器人底盘11的 纵向对称线上，可在底盘11所在平面内转动，用于支撑机器人重量。
[0006] 图2中的三轮机器人包括:机器人底盘21、驱动轮22、驱动轮23、驱动电机24、驱动 电机25、控制器26、电源设备27、万向轮281、万向轮282,其中驱动电机24包括转子241和定 子242,驱动电机25包括转子251和定子252。图2中：驱动轮22与机器人底盘21通过驱动电机 24连接，驱动电机24的转子241与驱动轮22固接，驱动电机24的定子242固接于机器人底盘 21;驱动轮23与机器人底盘21通过驱动电机25连接，驱动电机25的转子251与驱动轮23固 接，驱动电机25的定子固接于机器人底盘21;控制器26固定在机器人底盘21上，与外界定位 系统进行通信，实时获取路线信息及机器人的位置和方位角信息，根据目标路线信息及机 器人的位置和方位角计算驱动轮22和驱动轮23运动速度，并将速度指令发送给驱动电机24 和驱动电机25,然后驱动电机24和驱动电机25执行接收到的速度指令；电源设备27固定在 机器人底盘21上，给驱动电机24和驱动电机25及控制器26供电。万向轮281和万向轮282固 定在机器人底盘21的对称线上，且分别布置底盘21的前端和后端，万向轮281和万向轮282 可在底盘21所在平面内转动，用于支撑机器人重量。
[0007]图3中的三轮机器人包括:机器人底盘31、驱动轮32、驱动轮33、驱动电机34、驱动 电机35、控制器36、电源设备37、万向轮381、万向轮382、万象轮383、万向轮384,其中驱动电 机34包括转子341和定子342,驱动点机35包括转子351和定子352。图3中：驱动轮32与机器 人底盘31通过驱动电机34连接，驱动电机34的转子341与驱动轮32固接，驱动电机34的定子 342固接于机器人底盘31;驱动轮33与机器人底盘31通过驱动电机35连接，驱动电机35的转 子351与驱动轮33固接，驱动电机35的定子352固接于机器人底盘31;控制器36固定在机器 人底盘31上，与外界定位系统进行通信获取路线信息和机器人状态信息，根据目标路线信 息及机器人的位置和方位角计算驱动轮32和驱动轮23运动速度，并将速度指令发送给驱动 电机34和驱动电机35,然后驱动电机34和驱动电机35执行接收到的速度指令；电源设备37 固定在机器人底盘31上，给驱动电机34和驱动电机35及控制器36供电。万向轮381、万向轮 382、万向轮383、万向轮384均固定在机器人底盘31上，分别布置在底盘31的四个端点处，用 于支撑机器人重量，全部万向轮可在底盘31所在平面内转动。
[0008]图1所示的万向轮18,图2所示的万向轮281、万向轮282,图3中所示万向轮381、万 向轮382、万向轮383、万向轮384只启平衡载荷作用，对机器人的运动和路线跟踪控制不产 生影响，因此将图1、图2、图3所示机器人简化为图4所示两轮机器人模型。
[0009] 图4所示两轮机器人结构包括:机器人底盘41、驱动轮42、驱动轮43、驱动电机44、 驱动电机45,控制器46,电源设备47，其中驱动电机44包括转子441和定子442，驱动电机45 包括转子451和定子452。图4中：驱动轮42与机器人底盘41通过驱动电机44连接，驱动电机 44的转子441与驱动轮42固接，驱动电机44的定子442与机器人底盘41固接;驱动轮43与机 器人底盘41通过驱动电机45连接，驱动电机45的转子451与驱动轮43固接，驱动电机45的定 子与机器人底盘41固接;控制器46固定在机器人底盘41上，与外界定位系统进行通信，实时 获取路线信息和机器人的位置和方位角信息，根据获得的目标路线信息和机器人的位置和 方位角计算驱动轮42和驱动轮43运动速度，并将速度指令发送给驱动电机44和驱动电机 45,然后驱动电机44和驱动电机45执行接收到的速度指令；电源设备47固定在机器人底盘 41上，给驱动电机44和驱动电机45及控制器46供电。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种非时间参考的差速驱动机 器人路线跟踪控制方法，本方法便于驱动电机实现计算出的车轮行驶速度，易实现控制机 器人沿目标路线行驶。
[0011] 本发明的方法包括：
[0012] 为实现上述机器人路线跟踪问题，本发明采用的技术方案为：
[0013] -种非时间参考的差速驱动机器人路线跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0014] 1)对全局目标路线进行分析:在全局目标路线相对应的全局坐标系中，若该全局 目标路线的X轴坐标值单调变化，机器人控制器直接切换到路线跟踪控制状态，直接进入步 骤2)，否则将全局目标路线划分为多个局部路线，并建立各局部路线相对应的局部坐标系， 使局部路线的X轴坐标在该局部坐标系内单调变化，机器人控制器切换到路线跟踪控制，进 入步骤2);
[0015] 2)若在当前坐标系中，当前目标路线的X轴坐标若单调递增，则进入步骤3)，若单 调递减，则进入步骤4);
[0016] 3)实时获取目标路线信息及机器人位置和方位角信息，采用非时间参考的差速驱 动机器人路线跟踪驱动轮行驶速度计算方法，如公式（1)得到的速度指令控制