[發明專利]一種四輪驅動全向底盤的控制裝置及控制方法

有效

• 申請號: 201310219764.5
• 申請日: 2013-06-05
• 公開（公告）號: CN104216406B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 滕鑫淼
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團公司;中國石油集團鉆井工程技術研究院
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 湯在彥

技術領域

本發明是一種四輪驅動全向底盤的控制裝置及控制方法，主要適用于機器人底盤移動控制領域，可用于家用機器人、工業用機器人、軍用機器人的底盤移動控制。可使機器人始終沿直線行走，同時可以改變機體姿態，大大縮短機器人的行走距離，提高了機器人的靈活性和機動性。采用這種方法，可以使機器人在狹小空間內較好地完成任務。

背景技術

隨著1962年美國研制出了第一臺工業機器人，經過了近50年的發展，各國在機器人技術上投入了了大量的人力、物力、財力，機器人技術的發展已經經歷了翻天覆地的變化。從最初的一代工業機器人，到如今第三代智能機器人，機器人技術水平已有了大大提升，其中幾個科技強國美、日、德、英、法等正走在世界前列，其中美、日兩個科技超級大國更是在各個方面均遙遙領先。目前，我國的機器人技術也在穩步發展，正在縮小與發達國家的差距。

目前，機器人行走移動控制已經成為機器人領域中的一個重要分支，得到了人們越來越多的關注。如何提高機器人移動時的靈活性、機動性，是機器人領域中人們研究的熱點。

當前，地面機器人的移動方式主要分為腿足式、履帶式、輪式等幾種。腿足式主要依托于仿生學，其模仿人、動物、昆蟲等生物的行走方式，目前發展迅猛，其機體的自由度高，可以適應復雜地形，甚至可以攀爬樓梯，缺點是速度較慢；履帶式適用于較復雜地形，如山地等，移動速度比腿足式快；輪式機器人移動速度最快，但是通常只能應用于較為平坦的地形。

對于輪式機器人，其大部分底盤采用的均為兩輪驅動，即兩個主動輪，其余的均為從動輪，但是兩輪驅動的底盤不能直接進行橫向的平移，只能進行縱向平移、自身旋轉，即兩輪底盤只擁有兩個自由度，這種驅動方式大大地限制了機器人的靈活性。因而，為提高機器人的靈活性，必須在此基礎上進行改進。

發明內容

本發明是一種四輪驅動全向底盤的控制裝置及控制方法，采用本控制裝置及控制方法可以使裝有四輪全向底盤的機器人沿任意方向直線行進，并且同時自身旋轉，即在行駛過程中可以隨意調節自身的姿態，即有三個自由度，這種驅動方式較兩輪驅動有著更強的靈活性。

四輪驅動相比兩輪驅動的優點是靈活性高，自由度更多，但對于控制上要求也更高，對于四輪運動的協調控制是控制上的一大難點。本發明的核心技術就是解決四輪運動協調控制的這一難題。

一種四輪驅動全向底盤的控制裝置，包括主控模塊（ARM和FPGA），無線串口通信模塊，碼盤計數模塊，直流電機控制模塊。無線串口通信模塊用來接收來自與計算機連接的無線串口通信模塊的指令，指令信息包括四輪驅動全向底盤所要移動到的目標點的位置值以及姿態角值，將接收到的指令傳給上位機ARM；FPGA將計數電路和信息采集電路融合，由FPGA對碼盤計數模塊的數據進行采集與處理，然后通過通用I/O接口傳輸到ARM，同時FPGA也作為接口電路，將ARM的控制指令傳輸到直流電機控制模塊，完成對直流電機的轉速以及方向的控制；ARM是整個控制裝置的核心控制模塊，用以對接收到的數據進行融合，實現對四輪驅動全向底盤的位姿進行實時結算，并完成對四個直流電機的實時控制。

一種四輪驅動全向底盤的控制方法，包括如上所用的控制裝置，以及用于該裝置的核心的控制算法。具體步驟如下：

設定四輪驅動全向底盤所要移動到的目標點的位置值，即X、Y坐標，以及機體自身所要轉動的角度θ，啟動開始按鈕，通過無線串口通信方式，四輪驅動全向底盤上安裝的主控模塊接收到指令后，按照預先設定的四輪驅動全向底盤運動的控制算法，通過直流電機控制模塊，控制四個直流電機協調工作，采用的導航方式為四碼盤導航方式，通過碼盤計數模塊實時計數，可以記錄下各輪行走的距離，將此數據傳給主控模塊，主控模塊再對四個直流電機進行實時的PID控制，實時計算當前運動軌跡與預設軌跡之間的偏差，不斷的進行偏差糾正，使整個機體沿預設的軌跡進行運動，實現在自動方向沿直線行走并且實時改變自身姿態角。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的四輪全向底盤的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的四輪全向底盤運動方式圖；

圖3為本發明實施例提供的四輪全向底盤運動學分析圖；

圖4為本發明實施例提供的全向碼盤輪安裝示意圖；