本發(fā)明屬于巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四輪麥克納姆輪巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制方法。

背景技術(shù)：

移動式機(jī)器人與固定基座的機(jī)器人相比，具有更大、更靈活的工作空間，但同時(shí)輪式運(yùn)動引入了非完整約束。作為一類典型的非完整系統(tǒng)，移動機(jī)器人的鎮(zhèn)定和跟蹤問題引起了人們的廣泛關(guān)注。對非完整約束移動機(jī)器人的控制策略的研究成為機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)。從90年代末期尤其是2000年以后，許多研究者開始關(guān)注這一問題，并致力于不確定非完整系統(tǒng)的控制研究。相關(guān)工作的重點(diǎn)主要是解決系統(tǒng)的模型不確定性、外界干擾以及信號的噪聲污染、輸入受限、轉(zhuǎn)彎半徑受限等實(shí)際問題，進(jìn)行相關(guān)的魯棒和自適應(yīng)控制以及濾波器的設(shè)計(jì)。研究不確定非完整系統(tǒng)鎮(zhèn)定和跟蹤問題的文獻(xiàn)的多樣性，主要是因?yàn)閷Σ淮_定性或干擾采用了不同的模型，以及使用了不同的處理方法以取得魯棒性或適應(yīng)性。對不確定非完整動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要方法有自適應(yīng)控制、魯棒控制、魯棒自適應(yīng)控制、智能控制等。

輪式移動機(jī)器人是一個(gè)具有大延遲、高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)”。建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難，在進(jìn)行航向跟蹤控制時(shí)。參數(shù)的變化對系統(tǒng)模型的影響較大，其中縱向速度的影響最為明顯。輪式移動機(jī)器人的一般的控制方法是把期望的航向與機(jī)器人的實(shí)測航向之間的誤差作為控制器的輸入偏差。輪式移動機(jī)器人的航向與其縱向速度、橫向速度、前輪的偏角、機(jī)器人繞其重心的轉(zhuǎn)動慣量、重心的位置、前后輪的側(cè)偏系數(shù)以及實(shí)際的道路情況等諸多因素都有關(guān)，因此，對輪式機(jī)器人建立動力學(xué)模型是比較困難的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本發(fā)明提出了一種四輪麥克納姆輪巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種四輪麥克納姆輪巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制方法，包括以下步驟：

A、將巡檢機(jī)器人在平面內(nèi)的運(yùn)動分解為X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉(zhuǎn)三個(gè)獨(dú)立分量；

B、計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度；

C、將步驟B中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度分解為沿輥?zhàn)臃较虻钠叫兴俣群痛怪庇谳佔(zhàn)臃较虻拇怪彼俣?，?jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度；

D、根據(jù)步驟C中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度；

E、根據(jù)步驟D中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度控制巡檢機(jī)器人在平面內(nèi)運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述步驟B計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度的計(jì)算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的軸心速度矢量，為巡檢機(jī)器人的幾何中心速度矢量，為yaw軸自轉(zhuǎn)的角速度，為從巡檢機(jī)器人的幾何中心指向麥克納姆輪的軸心的矢量。

進(jìn)一步地，所述步驟C中計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度的計(jì)算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的平行速度矢量，v_x為麥克納姆輪的軸心速度在X軸方向的速度分量，v_y為麥克納姆輪的軸心速度在Y軸方向的速度分量。

進(jìn)一步地，所述步驟D中計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度的計(jì)算公式具體為：

其中，v_ω為麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過將巡檢機(jī)器人的運(yùn)動分解為三個(gè)獨(dú)立分量，計(jì)算出巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度，從而計(jì)算出巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度；通過X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉(zhuǎn)三個(gè)獨(dú)立分量的運(yùn)動結(jié)合，可以讓巡檢機(jī)器人在平面上完成任意方向的運(yùn)動，而無需讓巡檢機(jī)器人繞某一圓心旋轉(zhuǎn)，從而有效的提高了巡檢機(jī)器人運(yùn)動效率，使得巡檢機(jī)器人能在更小的空間完成就地轉(zhuǎn)向、橫向移動和按照一定角度斜線運(yùn)動，避免了普通橡膠輪胎運(yùn)動的不足。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的四輪麥克納姆輪巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制方法流程示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的運(yùn)動分解示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪軸心速度示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪軸心速度示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，為本發(fā)明的四輪麥克納姆輪巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制方法流程示意圖。一種四輪麥克納姆輪巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制方法，包括以下步驟：

A、將巡檢機(jī)器人在平面內(nèi)的運(yùn)動分解為X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉(zhuǎn)三個(gè)獨(dú)立分量；

B、計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度；

C、將步驟B中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度分解為沿輥?zhàn)臃较虻钠叫兴俣群痛怪庇谳佔(zhàn)臃较虻拇怪彼俣?，?jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度；

D、根據(jù)步驟C中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度；

E、根據(jù)步驟D中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度控制巡檢機(jī)器人在平面內(nèi)運(yùn)動。

在步驟A中，本發(fā)明的巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪由兩大部分組成：輪轂和輥?zhàn)?roller)。輪轂是整個(gè)輪子的主體支架，輥?zhàn)觿t是安裝在輪轂上的鼓狀物。麥克納姆輪的輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸呈45°角。如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的運(yùn)動分解示意圖。本發(fā)明將巡檢機(jī)器人在巡檢平面內(nèi)的運(yùn)動分解為三個(gè)獨(dú)立分量，分別為：X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉(zhuǎn)。本發(fā)明的巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪的速度也是由四個(gè)獨(dú)立的電機(jī)提供的。所以四個(gè)麥克納姆輪的合理速度是存在某種約束關(guān)系的，逆運(yùn)動學(xué)可以得到唯一解，而正運(yùn)動學(xué)中不符合這個(gè)約束關(guān)系的方程將無解。

在步驟B中，如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪軸心速度示意圖。本發(fā)明計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度的計(jì)算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的軸心速度矢量，為巡檢機(jī)器人的幾何中心速度矢量，為yaw軸自轉(zhuǎn)的角速度，為從巡檢機(jī)器人的幾何中心指向麥克納姆輪的軸心的矢量。

再將麥克納姆輪的軸心速度矢量分別沿X軸方向和Y軸方向進(jìn)行分解，計(jì)算麥克納姆輪的軸心速度矢量分別沿X軸方向和Y軸方向的分量，表示為：

其中，v_x為麥克納姆輪的軸心速度在X軸方向的速度分量，v_y為麥克納姆輪的軸心速度在Y軸方向的速度分量，為巡檢機(jī)器人沿X軸方向的速度，為巡檢機(jī)器人沿Y軸方向的速度，r_x為沿X軸方向的分量，r_y為沿X軸方向的分量。

如圖4所示，為本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪軸心速度示意圖。根據(jù)上述計(jì)算方法即可得到巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度。

在步驟C中，如圖5所示，為本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。本發(fā)明將步驟B中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度分解為沿輥?zhàn)臃较虻钠叫兴俣群痛怪庇谳佔(zhàn)臃较虻拇怪彼俣?，由于垂直于輥?zhàn)臃较虻拇怪彼俣葘τ谘矙z機(jī)器人的運(yùn)動不會產(chǎn)生影響，因此本發(fā)明只需計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度，計(jì)算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的平行速度矢量，v_x為麥克納姆輪的軸心速度在X軸方向的速度分量，v_y為麥克納姆輪的軸心速度在Y軸方向的速度分量。

在步驟D中，本發(fā)明根據(jù)步驟C中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的平行速度計(jì)算巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，計(jì)算公式具體為：

其中，v_ω為麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度。

如圖6所示，為本發(fā)明實(shí)施例中巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。其中，a為X軸方向上巡檢機(jī)器人的幾何中心至麥克納姆輪的軸心的距離，b為Y軸方向上巡檢機(jī)器人的幾何中心至麥克納姆輪的軸心的距離。根據(jù)a和b的關(guān)系，得到麥克納姆輪的軸心速度矢量分別沿X軸方向和Y軸方向的分量，表示為：

從而根據(jù)巡檢機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)得到巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，表示為：

其中，為巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪1的轉(zhuǎn)動速度，為巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪2的轉(zhuǎn)動速度，為巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪3的轉(zhuǎn)動速度，為巡檢機(jī)器人的麥克納姆輪4的轉(zhuǎn)動速度。

本發(fā)明中全向移動巡檢機(jī)器人是一個(gè)純線性系統(tǒng)，而剛體運(yùn)動又可以線性分解為三個(gè)分量，因此只需要計(jì)算出麥克納姆輪巡檢機(jī)器人在沿X軸平移、沿Y軸平移、繞幾何中心自轉(zhuǎn)時(shí)，四個(gè)麥克納姆輪的速度，就可以通過加法，計(jì)算出這三種簡單運(yùn)動所合成的平動+旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)所需要的四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)巡檢機(jī)器人沿著X軸平移時(shí)，巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，表示為：

當(dāng)巡檢機(jī)器人沿著Y軸平移時(shí)，巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，表示為：

當(dāng)巡檢機(jī)器人繞幾何中心自轉(zhuǎn)時(shí)，巡檢機(jī)器人的四個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，表示為：

在步驟E中，本發(fā)明根據(jù)步驟D中巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度控制巡檢機(jī)器人在平面內(nèi)運(yùn)動。

本發(fā)明通過將巡檢機(jī)器人的運(yùn)動分解為三個(gè)獨(dú)立分量，計(jì)算出巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的軸心速度，從而計(jì)算出巡檢機(jī)器人的各個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度；通過X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉(zhuǎn)三個(gè)獨(dú)立分量的運(yùn)動結(jié)合，可以讓巡檢機(jī)器人在平面上完成任意方向的運(yùn)動，而無需讓巡檢機(jī)器人繞某一圓心旋轉(zhuǎn)，從而有效的提高了巡檢機(jī)器人運(yùn)動效率，使得巡檢機(jī)器人能在更小的空間完成就地轉(zhuǎn)向、橫向移動和按照一定角度斜線運(yùn)動，避免了普通橡膠輪胎運(yùn)動的不足。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。