[發(fā)明專利]一種輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010115952.3
• 申請(qǐng)日: 2020-02-25
• 公開（公告）號(hào): CN111232051B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳南;曹銘聰;李哲;王金湘;魯秀楠;張倫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): B62D5/04
• 分類號(hào): B62D5/04;B60L15/20;B60K7/00;B62D7/14;B60K17/34
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 郭微

本發(fā)明公布了一種輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制方法，屬于機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人在低速和高速不同工況下的不同轉(zhuǎn)向方式，原地轉(zhuǎn)向或低速工況下，離合器結(jié)合將轉(zhuǎn)向拉桿抱死以保證機(jī)器人車輪無轉(zhuǎn)向角產(chǎn)生，通過控制左右輪轉(zhuǎn)速不同來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的滑動(dòng)轉(zhuǎn)向；高速工況下，離合器分離保證轉(zhuǎn)向拉桿可左右移動(dòng)，此時(shí)通過控制左右輪驅(qū)動(dòng)力矩不同迫使車輪往驅(qū)動(dòng)力矩小的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的差動(dòng)轉(zhuǎn)向操作。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人在不同速度工況下的最佳轉(zhuǎn)向性能，避免了滑動(dòng)轉(zhuǎn)向在高速工況下轉(zhuǎn)向失穩(wěn)，可以結(jié)合低速滑動(dòng)轉(zhuǎn)向和高速差動(dòng)轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制方法。

背景技術(shù)

滑動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)制是運(yùn)用在各種輪式移動(dòng)機(jī)器人上的最為常見的一種轉(zhuǎn)向控制方式?；瑒?dòng)轉(zhuǎn)向的移動(dòng)機(jī)器人可以取消專門的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能夠提高空間利用率。其兩側(cè)的車輪可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，通過控制左右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速不同，可以實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人不同轉(zhuǎn)向半徑的轉(zhuǎn)向。當(dāng)左右兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速相等方向相反時(shí)，甚至可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向。因此，滑動(dòng)轉(zhuǎn)向方式在低速工況下具有較好的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性，可以在轉(zhuǎn)向空間受到限制的環(huán)境下得到較好的應(yīng)用。

但是滑動(dòng)轉(zhuǎn)向方式需要移動(dòng)機(jī)器人提供較大的縱向驅(qū)動(dòng)力差來克服轉(zhuǎn)向帶來的高阻力矩，這就造成滑動(dòng)轉(zhuǎn)向高速失穩(wěn)問題。在高速工況下，輪式移動(dòng)機(jī)器人無法提供足夠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以滑動(dòng)轉(zhuǎn)向方式的移動(dòng)機(jī)器人在高速時(shí)需要先減速以提供足夠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩用于轉(zhuǎn)向。同時(shí)，較高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也帶來了高能耗的問題。

如果在機(jī)器人前軸和后軸左右兩側(cè)車輪之間分別安裝轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，并且每個(gè)車輪可以繞著其主銷轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人，在左右側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)力不同時(shí)，所產(chǎn)生的差動(dòng)力矩可以驅(qū)使車輪繞著主銷向驅(qū)動(dòng)力小的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。這一種轉(zhuǎn)向方式被稱為差動(dòng)轉(zhuǎn)向。通過差動(dòng)轉(zhuǎn)向，輪式移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)向而無需犧牲速度來滿足轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的要求。但這種轉(zhuǎn)向方式無法實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向操作并在較低速度轉(zhuǎn)向時(shí)存在明顯的局限性。

綜上所述，為滿足在不同速度工況下輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向性能的要求，單獨(dú)依靠一種轉(zhuǎn)向方式并不能應(yīng)對(duì)不同速度工況下的各種問題。所以，研究如何使輪式移動(dòng)機(jī)器人在不同速度都能保持較好轉(zhuǎn)向性能具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于：針對(duì)上述輪式移動(dòng)機(jī)器人在不同速度條件下轉(zhuǎn)向性能的不足，本發(fā)明提供了一種新的輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制策略，可以結(jié)合不同轉(zhuǎn)向方式在不同速度工況下的轉(zhuǎn)向性能優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

(1)移動(dòng)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時(shí)，控制器控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)離合器，將轉(zhuǎn)向拉桿抱死。此時(shí)車輪不能繞著主銷轉(zhuǎn)動(dòng)從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角，移動(dòng)機(jī)器人只能依靠滑動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。電機(jī)控制器控制兩側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力大小相等、方向相反，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向。

(2)在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中需要轉(zhuǎn)向時(shí)，控制器根據(jù)當(dāng)前車速、轉(zhuǎn)向需求的驅(qū)動(dòng)力矩差以及地面附著條件等來判斷輪式移動(dòng)機(jī)器人選擇哪種轉(zhuǎn)向方式。

(3)移動(dòng)機(jī)器人在低速工況下移動(dòng)時(shí)，左右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)力差驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人滑動(dòng)轉(zhuǎn)向，不會(huì)超過電機(jī)的功率極限。此時(shí)，控制器控制啟動(dòng)器驅(qū)動(dòng)離合器，將轉(zhuǎn)向拉桿抱死。電機(jī)控制器控制兩側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不同，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩差驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人滑動(dòng)轉(zhuǎn)向。驅(qū)動(dòng)力矩差越大，轉(zhuǎn)彎半徑越小。

(4)移動(dòng)機(jī)器人在高速工況下移動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)的最大功率限制，左右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)不足以提供足夠的驅(qū)動(dòng)力差驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人滑動(dòng)轉(zhuǎn)向。此時(shí)，控制器判斷需要切換到差動(dòng)轉(zhuǎn)向，控制器控制驅(qū)動(dòng)器分離離合器。電機(jī)控制器控制兩側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力差可以驅(qū)動(dòng)車輪分別繞其主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角。驅(qū)動(dòng)力矩差越大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角越大。