一種非時(shí)間參考的差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人路線跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的路線跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及適用于兩輪、三 輪、四輪、六輪等，基于差速驅(qū)動(dòng)的輪式機(jī)器人和輪式走行裝置的路線跟蹤控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輪式移動(dòng)機(jī)器人已在人們生產(chǎn)和生活的 多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如生產(chǎn)車間中的貨物搬運(yùn)機(jī)器人、醫(yī)院中的藥品傳輸機(jī)器人、 室內(nèi)地面清潔機(jī)器人、智能輪椅機(jī)器人等。差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人采用2個(gè)伺服電機(jī)控制車輪速 度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)路線或目標(biāo)點(diǎn)的跟蹤，因結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)效率高和控制靈活被廣泛使用。機(jī)器 人的路線跟隨能力是其實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)的關(guān)鍵。
[0003] 目前機(jī)器人路線控制多采用PID控制、模糊邏輯等方法，控制機(jī)器人沿目標(biāo)路線運(yùn) 動(dòng)，或設(shè)計(jì)輪速隨時(shí)間變化的函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路線跟蹤。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為強(qiáng)非線 性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制方法不適用于強(qiáng)非線性系統(tǒng)?；谀：刂七壿嫷穆肪€跟蹤控制器 結(jié)構(gòu)不易確定，且需大量實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)訓(xùn)練模糊控制器。采用設(shè)計(jì)輪速隨時(shí)間變化函數(shù)實(shí) 現(xiàn)機(jī)器人路線跟蹤的方法，對(duì)車輪速度控制精度要求較高，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)速度控制偏差 時(shí)，導(dǎo)致路線跟蹤失敗。
[0004] 本發(fā)明適用的已有輪式機(jī)器人包括，圖1所示的三輪機(jī)器人、圖2所示的四輪機(jī)器 人、圖3所示的六輪機(jī)器人等基于兩輪差速驅(qū)動(dòng)行駛的多輪機(jī)器人。
[0005] 圖1中的三輪機(jī)器人包括:機(jī)器人底盤11、驅(qū)動(dòng)輪12、驅(qū)動(dòng)輪13、驅(qū)動(dòng)電機(jī)14、驅(qū)動(dòng) 電機(jī)15、控制器16、電源設(shè)備17、萬向輪18,其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)14包括轉(zhuǎn)子141和定子142,驅(qū)動(dòng)電 機(jī)15又包括轉(zhuǎn)子151和定子152。圖1中：驅(qū)動(dòng)輪12與機(jī)器人底盤11通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)14連接，驅(qū) 動(dòng)電機(jī)14的轉(zhuǎn)子141與驅(qū)動(dòng)輪12固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)14的定子142固接于機(jī)器人底盤11;驅(qū)動(dòng)輪 13與機(jī)器人底盤11通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)15連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)15的轉(zhuǎn)子151與驅(qū)動(dòng)輪13固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī) 15的定子152固接于機(jī)器人底盤11;控制器16固定在機(jī)器人底盤11上，與外界定位系統(tǒng)進(jìn)行 通信，實(shí)時(shí)獲取路線信息及機(jī)器人的位置和方位角信息，根據(jù)目標(biāo)路線信息及機(jī)器人的位 置和方位角計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪12和驅(qū)動(dòng)輪13的運(yùn)動(dòng)速度，并將速度指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)14和驅(qū)動(dòng) 電機(jī)15,然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)14和驅(qū)動(dòng)電機(jī)15執(zhí)行接收到的速度指令；電源設(shè)備17固定在機(jī)器人 底盤11上，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)14和驅(qū)動(dòng)電機(jī)15及控制器16供電。萬向輪18固定在機(jī)器人底盤11的 縱向?qū)ΨQ線上，可在底盤11所在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，用于支撐機(jī)器人重量。
[0006] 圖2中的三輪機(jī)器人包括:機(jī)器人底盤21、驅(qū)動(dòng)輪22、驅(qū)動(dòng)輪23、驅(qū)動(dòng)電機(jī)24、驅(qū)動(dòng) 電機(jī)25、控制器26、電源設(shè)備27、萬向輪281、萬向輪282,其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)24包括轉(zhuǎn)子241和定 子242,驅(qū)動(dòng)電機(jī)25包括轉(zhuǎn)子251和定子252。圖2中：驅(qū)動(dòng)輪22與機(jī)器人底盤21通過驅(qū)動(dòng)電機(jī) 24連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)24的轉(zhuǎn)子241與驅(qū)動(dòng)輪22固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)24的定子242固接于機(jī)器人底盤 21;驅(qū)動(dòng)輪23與機(jī)器人底盤21通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)25連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)25的轉(zhuǎn)子251與驅(qū)動(dòng)輪23固 接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)25的定子固接于機(jī)器人底盤21;控制器26固定在機(jī)器人底盤21上，與外界定位 系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)獲取路線信息及機(jī)器人的位置和方位角信息，根據(jù)目標(biāo)路線信息及機(jī) 器人的位置和方位角計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪22和驅(qū)動(dòng)輪23運(yùn)動(dòng)速度，并將速度指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)24 和驅(qū)動(dòng)電機(jī)25,然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)24和驅(qū)動(dòng)電機(jī)25執(zhí)行接收到的速度指令；電源設(shè)備27固定在 機(jī)器人底盤21上，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)24和驅(qū)動(dòng)電機(jī)25及控制器26供電。萬向輪281和萬向輪282固 定在機(jī)器人底盤21的對(duì)稱線上，且分別布置底盤21的前端和后端，萬向輪281和萬向輪282 可在底盤21所在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，用于支撐機(jī)器人重量。
[0007]圖3中的三輪機(jī)器人包括:機(jī)器人底盤31、驅(qū)動(dòng)輪32、驅(qū)動(dòng)輪33、驅(qū)動(dòng)電機(jī)34、驅(qū)動(dòng) 電機(jī)35、控制器36、電源設(shè)備37、萬向輪381、萬向輪382、萬象輪383、萬向輪384,其中驅(qū)動(dòng)電 機(jī)34包括轉(zhuǎn)子341和定子342,驅(qū)動(dòng)點(diǎn)機(jī)35包括轉(zhuǎn)子351和定子352。圖3中：驅(qū)動(dòng)輪32與機(jī)器 人底盤31通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)34連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)34的轉(zhuǎn)子341與驅(qū)動(dòng)輪32固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)34的定子 342固接于機(jī)器人底盤31;驅(qū)動(dòng)輪33與機(jī)器人底盤31通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)35連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)35的轉(zhuǎn) 子351與驅(qū)動(dòng)輪33固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)35的定子352固接于機(jī)器人底盤31;控制器36固定在機(jī)器 人底盤31上，與外界定位系統(tǒng)進(jìn)行通信獲取路線信息和機(jī)器人狀態(tài)信息，根據(jù)目標(biāo)路線信 息及機(jī)器人的位置和方位角計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪32和驅(qū)動(dòng)輪23運(yùn)動(dòng)速度，并將速度指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng) 電機(jī)34和驅(qū)動(dòng)電機(jī)35,然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)34和驅(qū)動(dòng)電機(jī)35執(zhí)行接收到的速度指令；電源設(shè)備37 固定在機(jī)器人底盤31上，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)34和驅(qū)動(dòng)電機(jī)35及控制器36供電。萬向輪381、萬向輪 382、萬向輪383、萬向輪384均固定在機(jī)器人底盤31上，分別布置在底盤31的四個(gè)端點(diǎn)處，用 于支撐機(jī)器人重量，全部萬向輪可在底盤31所在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0008]圖1所示的萬向輪18,圖2所示的萬向輪281、萬向輪282,圖3中所示萬向輪381、萬 向輪382、萬向輪383、萬向輪384只啟平衡載荷作用，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和路線跟蹤控制不產(chǎn) 生影響，因此將圖1、圖2、圖3所示機(jī)器人簡化為圖4所示兩輪機(jī)器人模型。
[0009] 圖4所示兩輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括:機(jī)器人底盤41、驅(qū)動(dòng)輪42、驅(qū)動(dòng)輪43、驅(qū)動(dòng)電機(jī)44、 驅(qū)動(dòng)電機(jī)45,控制器46,電源設(shè)備47，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)44包括轉(zhuǎn)子441和定子442，驅(qū)動(dòng)電機(jī)45 包括轉(zhuǎn)子451和定子452。圖4中：驅(qū)動(dòng)輪42與機(jī)器人底盤41通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)44連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī) 44的轉(zhuǎn)子441與驅(qū)動(dòng)輪42固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)44的定子442與機(jī)器人底盤41固接;驅(qū)動(dòng)輪43與機(jī) 器人底盤41通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)45連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)45的轉(zhuǎn)子451與驅(qū)動(dòng)輪43固接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)45的定 子與機(jī)器人底盤41固接;控制器46固定在機(jī)器人底盤41上，與外界定位系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí) 獲取路線信息和機(jī)器人的位置和方位角信息，根據(jù)獲得的目標(biāo)路線信息和機(jī)器人的位置和 方位角計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪42和驅(qū)動(dòng)輪43運(yùn)動(dòng)速度，并將速度指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)44和驅(qū)動(dòng)電機(jī) 45,然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)44和驅(qū)動(dòng)電機(jī)45執(zhí)行接收到的速度指令；電源設(shè)備47固定在機(jī)器人底盤 41上，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)44和驅(qū)動(dòng)電機(jī)45及控制器46供電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種非時(shí)間參考的差速驅(qū)動(dòng)機(jī) 器人路線跟蹤控制方法，本方法便于驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算出的車輪行駛速度，易實(shí)現(xiàn)控制機(jī) 器人沿目標(biāo)路線行駛。
[0011] 本發(fā)明的方法包括：
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述機(jī)器人路線跟蹤問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0013] -種非時(shí)間參考的差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人路線跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0014] 1)對(duì)全局目標(biāo)路線進(jìn)行分析:在全局目標(biāo)路線相對(duì)應(yīng)的全局坐標(biāo)系中，若該全局 目標(biāo)路線的X軸坐標(biāo)值單調(diào)變化，機(jī)器人控制器直接切換到路線跟蹤控制狀態(tài)，直接進(jìn)入步 驟2)，否則將全局目標(biāo)路線劃分為多個(gè)局部路線，并建立各局部路線相對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系， 使局部路線的X軸坐標(biāo)在該局部坐標(biāo)系內(nèi)單調(diào)變化，機(jī)器人控制器切換到路線跟蹤控制，進(jìn) 入步驟2);
[0015] 2)若在當(dāng)前坐標(biāo)系中，當(dāng)前目標(biāo)路線的X軸坐標(biāo)若單調(diào)遞增，則進(jìn)入步驟3)，若單 調(diào)遞減，則進(jìn)入步驟4);
[0016] 3)實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)路線信息及機(jī)器人位置和方位角信息，采用非時(shí)間參考的差速驅(qū) 動(dòng)機(jī)器人路線跟蹤驅(qū)動(dòng)輪行駛速度計(jì)算方法，如公式（1)得到的速度指令控制