舵轮驱动全向移动机器人运动控制方法与流程

本发明涉及自动化控制领域、电机控制领域，具体涉及的是舵轮伺服电机的一种运动控制方法。

背景技术：

随着社会上物流技术的发展，舵轮被越来越多的应用到重载型agv和重载型的移动机器人上面。舵轮是指集成了驱动电机、转向电机、减速机等一体化的机械结构，所以舵轮为基础的全向移动机器人具有比较灵活的运动方式。

在以舵轮为基础的全向移动机器人的运动方式主要有平动、自转和灵活转向，包含了任意方向的平动和任意一点为中心的转弯，在舵轮的控制方式上单独的实现平动或者自转都比较容易实现，但是实现平动过程中自转和灵活转向是比较困难的。

因此，对于上述的存在难点我们利用运动合成的方法提出一种有效的运动控制方法解决此问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，以一种算法解决以舵轮为基础的全向移动机器人的一般情况的平动和转向，它包含了任意方向、任意速度的平动与任意速度的自转以及不同速度的平动过程中实现自转和灵活转向的多种情况。

双舵轮以及多个舵轮的全向移动机器人的舵轮安装方式就比较自由，可以安装在机器人底盘的中线、对角线位置或者单侧横置和单侧竖置，通过调整各套舵轮的角度及速度，可以使移动机器人在不转动的情况下实现变道，转向等动作，通过我们的控制算法可以实现沿任意点为转向中心的转向运动和实现平动过程中自转，有很强的灵活性。

本发明采用对角分布的双舵轮驱动的四轮移动机器人模型，另外的两个轮子采用万向轮，以此模型进行说明。通过两套舵轮的协同动作，可以实现任意方向平动、转向以及运动和静止时的机器人自转。

(1)任意方向的平动：由于两舵轮可以自由转动，所以只要给出平动方向，两舵轮均调整姿态转向平动方向，并保持速度一致，即可实现平动。

(2)灵活转向：由于两舵轮可以自由转动，所以两舵轮可能出现各种组合。首先分析一般情况，分别作两舵轮速度的垂线，可以得到机器人转向运动的中心。通过改变两舵轮的速度方向可以确定一个转向运动的中心，机器人可以绕此点做圆周运动，那么，根据所需要的转向，给出一个转向中心和转向速度，即可得出两舵轮的速度和方向，完成绕此点的转向。

(3)自转运动：自转的条件为存在一对力偶，所以只需要将两个舵轮的速度调整为大小相等、方向相反，即可完成以机器人为旋转中心的自转，但实际情况下，轮胎的方向与运动轨迹不相同会加剧轮胎的磨损，而且浪费能量，转向效率低。所以，在机器人需要自转时，应将两舵轮调整至与自转中心连线相垂直的状态。

(4)平动过程中自转：根据速度的合成与分解规律，要使机器人在平动过程中自转，可以将两舵轮的速度分别分解为两个分速度，一对分速度大小相等，方向垂直于两舵轮与自转中心的连线，形成力偶，使机器人自转；一对分速度大小、方向均相同，使机器人保持平动。

经过对上述情况的分析，确定了如下的控制方法。

首先，需要明确全向移动机器人的行驶方向角、行驶速度以及转动的角速度，由于移动机器人的平动速度是矢量，所以移动机器人的平动速度和方向用向量进行表示，即向量的方向为平动的方向，向量的模是速度的大小。

移动机器人的目标速度用向量表示。移动机器人转动的目标角速度用ω表示。其中舵轮1和舵轮2的速度和方向分别用向量和表示。

由于两套舵轮为移动机器人的运动执行机构，所以向量和必须由移动平台的目标速度和目标角速度ω计算式表达。

进一步，移动机器人任意方向平动时，需要转动角速度为0，两舵轮的速度和转动角度相同，向量表示即：≠0；ω＝0；＝＝。

进一步，由于移动机器人加工完成以后舵轮的安装位置是固定的，所以令两舵轮安装位置距回转中心的距离分别为r1和r2。

进一步，移动机器人自转时，需要两舵轮的速度方向垂直于两舵轮与自转中心的连线，两舵轮的速度的大小为角速度与对应自转半径的乘积，且平动速度为0，向量表示即：＝0；ω≠0；＝ω×r1；＝ω×r2。

进一步，移动机器人平动过程中自转，由平行四边形法则可知：＝＋ω×r1；＝＋ω×r2。

进一步，以上皆是转向中心与移动机器人中心重合实现自转。移动机器人灵活转向时，即转向中心与移动机器人中心不重合时，令移动机器人的中心距离转动中心的距离为r，两舵轮的安装位置距离转向中心的距离分别为r01和r02。

进一步，移动机器人灵活转向时根据确定的转向中心和移动机器人的转向角速度ω0可知：＝ω0×r；＝ω0×r01，＝ω0×r02。

上述是以对角分布的双舵轮驱动的四轮移动机器人模型进行的说明分析，舵轮驱动全向移动机器人运动控制方法不只使用于这种模型，对于多舵轮移动机器人同样适用。

安装超过两个舵轮的移动机器人，安装方式多种多样。但是这些移动机器人的运动模式是相同的，可以根据移动平台的自转中心、自转角速度、目标速度和转向角速度求以同样的算法解出各套舵轮的速度进而实现各种运动方式。

本发明提供的是一种舵轮驱动全向移动机器人运动控制方法，是利用运动学定理和向量合成法则推导得到的。此算法针对安装两个或者两个以上舵轮的移动机器人实现了任意角度的平动、相对任意一点的转向以及平动速度为0时的自转和平动速度不为0时的自转。使舵轮驱动全向移动机器人运动方式更加灵活。

附图说明

图1为对角分布的双舵轮驱动的四轮移动机器人模型简图；

图2为舵轮驱动全向移动机器人平动示意图；

图3为舵轮驱动全向移动机器人自转示意图；

图4为舵轮驱动全向移动机器人平动过程中自转示意图；

图5为舵轮驱动全向移动机器人舵轮1的速度合成图；

图6为舵轮驱动全向移动机器人舵轮2的速度合成图；

图7为舵轮驱动全向移动机器人灵活转向示意图；

图8为舵轮驱动全向移动机器人灵活转向运动分析图；

图9为舵轮驱动全向移动机器人运动模式图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。同样主要以对角分布的双舵轮驱动的四轮移动机器人模型进行说明。

图1是对角分布的双舵轮驱动的移动平台四轮移动机器人简图，可以表达出舵轮的安装位置，另外的两个支撑轮为万向轮。由于万向轮不影响移动平台的运动方式，所以在以后的图中不画出万向轮。

首先对移动机器人的任意方向平动进行说明，图2是移动机器人平动示意图。根据需要向控制系统输入平动的目标速度，两舵轮获得与目标速度相同的速度和。再次说明速度为矢量，即向量的方向为平动的方向，向量的模是速度的大小。

舵轮驱动全向移动机器人自转示意图如图3所示，根据需要给定目标角速度ω，由于舵轮的安装位置固定，所以r1和r2已知。即可以计算出两舵轮的速度，＝ω×r1；＝ω×r2。

图4是舵轮驱动全向移动机器人在平动的过程中实现自转示意图，图中o1点和o2点分别是两舵轮的安装位置，和分别是移动机器人自转需要的速度分量且在给定目标角速度以后，和位置以及方向是固定已知的，根据需要给定目标平动速度和目标角速度ω，根据运动学定理和向量的计算法则可以得到两舵轮的速度和方向。

即＝ω×r1；＝ω×r2。＝＋；＝＋。

对进一步计算进行说明，如图5所示移动机器人平动速度和移动机器人上一点o1的速度大小和方向是确定的，方向角分别是δ和θ。我们令和的方向角分别为α和β。

所以可知:

|ac|＝×sin(θ)；

|bc|＝|ed|＝×cos(θ)；

|o1d|＝×cos(δ)；

|ce|＝|bd|＝×sin(δ)；

进而得到：

|ae|＝|ac|＋|ce|；

|o1e|＝|o1d|－|ed|；

所以：

;

;

对进一步计算进行说明，图6为移动机器人舵轮2的速度合成图，舵轮2中=－，同理可知计算式如下：

|fj|＝×sin(θ)；

|gj|＝|hi|＝×cos(θ)；

|o2i|＝×cos(δ)；

|fi|＝×sin(δ)；

进而得到：

|gh|＝|ij|＝|fi|－|fj|；

|o2h|＝|o2i|+|hi|；

所以：

;

;

经过上述方法计算，可分别确定移动机器人两套舵轮的速度和方向，即分别是：

综上是舵轮驱动全向移动机器人在平动过程中自转的计算过程。

进一步进行说明，舵轮驱动全向移动机器人灵活转向时，即以任意一点作为转弯中心，如图7所示。其中是转弯速度、o是转弯中心。由运动学定理可知＝ω0×r01，＝ω0×r02。

图8为舵轮驱动全向移动机器人灵活转向运动分析图，由移动机器人舵轮安装位置可知l1、l2、角φ和角ω。由运动学定理可知⊥r1；⊥r2。根据要求给定角速度ω0和转弯中心o，故r是已知的。同样我们令和的方向角分别为α和β。

由余弦定理可知：

由图8中几何关系可知：

所以可知：

α＝90°－

β＝90°＋ψ

综上可知舵轮驱动全向移动机器人在灵活转向时的两套舵轮的速度和方向。

即：

＝ω0×r01

α＝90°－γ

＝ω0×r02

β＝90°＋ψ

综上所述是整套舵轮驱动全向移动机器人四轮模型的运动控制算法分析过程。运动方式主要如图9所示，包括平移运动、自转运动、平移过程中自转和灵活转向四个模式，本控制方法同样适用于安装多套舵轮的大型移动机器人。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。