阅读说明：本技术 全向重载移动机器人的运动控制方法 (The motion control method of omnidirectional's heavy duty mobile robot ) 是由 张明才 周鹏举 王永恩 彭凡 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：一种全向重载移动机器人的运动控制方法,所述移动机器人包括控制系统、至少两个舵轮、至少两个转向轮；控制系统与所述舵轮和所述转向轮电连接,控制系统控制所述舵轮转动和转向。且同时控制所述转向轮转向,实现移动机器人运动的控制。运用本方法,使用舵轮替代万向轮,实现重载移动机器人的全向运动,使用所述的公式,就可以计算得到各个舵轮的运行速度和转向角度,同时也通过计算得到转向轮的转向角度,进而实现任意方向的平动或者以移动机器人运动中心为中心的自转或者以任一点为中心的转动,相比于传统移动机器人的控制方法,该控制方法使移动机器人更加灵活,适用于狭小空间,提高移动机器人的使用效率。(A kind of motion control method of omnidirectional's heavy duty mobile robot, the mobile robot include control system, at least two steering wheels, at least two deflecting rollers；Control system is electrically connected with the steering wheel and the deflecting roller, and control system controls the steering wheel rotation and turns to.And control the deflecting roller simultaneously and turn to, realize the control of moveable robot movement.With this method, universal wheel is substituted using steering wheel, realize the omnidirectional moving of heavily loaded mobile robot, use the formula, the speed of service and steering angle of each steering wheel can be calculated, simultaneously also by the steering angle that deflecting roller is calculated, the translation or the rotation centered on moveable robot movement center or the rotation centered on any point of realization any direction in turn, compared to the control method of traditional mobile robot, the control method keeps mobile robot more flexible, suitable for small space, the service efficiency of mobile robot is improved.)

全向重载移动机器人的运动控制方法

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，尤其涉及一种全向重载移动机器人的运动控制方法。

背景技术

移动机器人系统不受场地、物流通道和空间限制，可实现毫米级精确定位。因此，在工厂物流中，最能充分体现其柔性，实现高效、经济、灵活的无人化物料运输。移动机器人是联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要自动化搬运装卸手段，其应用范围和应用规模越来越大。

大吨位设备生产过程中的物流是工业生产的一大难题，由于吨位大，通常使用有轨电动平车进行转运，但是有轨转运车限制了物流的路径，无法满足生产需要。重载移动机器人在工业生产中越来越受到欢迎，但是由于要求车轮承载能力强，转向力矩大，要实现全向运行控制难度非常大，传统的万向轮无法实现，而麦克纳姆轮单个轮系的承载能力太小，要实现重载需要很多轮系，导致控制系统非常复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种全向重载移动机器人的运动控制方法，本发明公开的一个方面解决的一个技术问题是以舵轮和转向轮相互配合的底盘结构实现重载移动机器人的全向运动。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：

一种全向重载移动机器人的运动控制方法，所述移动机器人包括控制系统、至少两个舵轮、至少两个转向轮；控制系统与所述舵轮和所述转向轮电连接，控制系统控制所述舵轮转动和转向，且同时控制所述转向轮转向，实现移动机器人运动的控制。

优选的，在移动机器人运动水平面上设置坐标系，以所述移动机器人的运动中心Ω作为坐标系原点，移动机器人计划以速度V，且以角速度为ω进行运动。某一个轮子在坐标系中为点A_i，点A_i到点Ω的距离为r，设定该轮子A_i点到Ω点沿X轴的距离为W，且该轮子A_i点到Ω点沿Y轴的距离为L；

若该轮子为舵轮，速度为V_i和该轮子与坐标系X轴的夹角θ_i按照如下所示公式计算得到；

若该轮子为转向轮时，该轮子与坐标系X轴的夹角θ_i按照如下所示公式计算得到；

其中移动机器人运动中心速度V按X轴和Y轴方向进行正交分解，可得到

即移动机器人的舵轮以计算得到的速度V_i运动且调整轮体至计算得到的与坐标系X轴的夹角θ_i，同时转向轮调整轮体至计算得到的与坐标系X轴的夹角θ_i，即可完成移动机器人运动中心以速度V，且以角速度为ω进行的运动计划。

优选的，所述移动机器人的运动中心是两个舵轮连线的中点或者所述移动机器人的运动中心是三个及三个以上舵轮的几何中心。

优选的，所述“轮子与坐标系X轴的夹角θ_i”具体为，设定坐标系X轴正方向为0°，轮子逆时针旋转为正向，轮子顺时针旋转为负向，即轮子与坐标系X轴的夹角θ_i为正值时，轮子逆时针旋转θ_i°，轮子与坐标系X轴的夹角θ_i为负值时，轮子顺时针旋转θ_i°。

优选的，当所述移动机器人计划以任意速度平移，则所述舵轮和所述转向轮的角度均与移动机器人运动中心计划运动的方向一致，且所述舵轮的运动速度与所述移动机器人运动中心计划运动速度一致。

优选的，当所述移动机器人计划以运动中心为中心自转时，所述移动机器人运动中心的速度为0，角速度为ω。

一种全向重载移动机器人，使用上述任意一种所述控制方法。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明公开的一个方面带来的一个有益效果是，运用本方法，使用舵轮替代万向轮，实现重载移动机器人的全向运动，使用所述的公式，就可以计算得到各个舵轮的运行速度和转向角度，同时也通过计算得到转向轮的转向角度，进而实现任意方向的平动或者以移动机器人运动中心为中心的自转或者以任一点为中心的转动，相比于传统移动机器人的控制方法，该控制方法使移动机器人更加灵活，适用于狭小空间，提高移动机器人的使用效率。另外，采用带有转向功能的轮子代替万向轮作为从动轮参与移动机器人的控制中，大大提高了控制精度，减小不必要的误差。

附图说明

附图1是根据本发明公开的一种实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法模型示意图。

附图2是根据本发明公开的一种舵轮位于同一侧的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法模型示意图。

附图3是根据本发明公开的一种舵轮位于同一侧的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人任意方向平移的示意图。

附图4是根据本发明公开的一种舵轮位于同一侧的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人自转的示意图。

附图5是根据本发明公开的一种舵轮位于同一侧的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人以任意点为圆心转向的示意图。

附图6是根据本发明公开的一种舵轮位于对角线的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法模型示意图。

附图7是根据本发明公开的一种舵轮位于对角线的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人任意方向平移的示意图。

附图8是根据本发明公开的一种舵轮位于对角线的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人自转的示意图。

附图9是根据本发明公开的一种舵轮位于对角线的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人以任意点为圆心转向的示意图。

附图10是根据本发明公开的一种舵轮位于一圈转向轮中间的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法模型示意图。

附图11是根据本发明公开的一种舵轮位于一圈转向轮中间的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人任意方向平移的示意图。

附图12是根据本发明公开的一种舵轮位于一圈转向轮中间的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人自转的示意图。

附图13是根据本发明公开的一种舵轮位于一圈转向轮中间的实施例的全向重载移动机器人的运动控制方法使得移动机器人以任意点为圆心转向的示意图。

具体实施方式

结合本发明的附图，对发明实施例的一个技术方案做进一步的详细阐述。

实施例1：

一种全向重载移动机器人的运动控制方法，所述移动机器人包括控制系统、至少两个舵轮、至少两个转向轮；控制系统与所述舵轮和所述转向轮电连接，控制系统控制所述舵轮转动和转向。且同时控制所述转向轮转向，实现移动机器人运动的控制。

具体控制系统控制所述舵轮转动和转向还有控制所述转向轮转向的计算参照附图1所示，在移动机器人运动水平面上设置坐标系，所述移动机器人的运动中心在坐标系中为点Ω，移动机器人计划运动中心以速度V，且以角速度为ω进行运动，某一个轮子在坐标系中为点A_i，点A_i到点Ω的距离为r，设定该轮子A_i点到Ω点沿X轴的距离为W，且该轮子A_i点到Ω点沿Y轴的距离为L；

若该轮子为舵轮时，速度为V_i和该轮子与坐标系X轴的夹角θ_i按照如下所示公式计算得到；

若该轮子为转向轮时，该轮子与坐标系X轴的夹角θ_i按照如下所示公式计算得到；

其中移动机器人运动中心速度V按X轴和Y轴方向进行正交分解，可得到

即移动机器人的舵轮以计算得到的速度V_i运动且调整轮体至计算得到的与坐标系X轴的夹角θ_i，同时转向轮调整轮体至计算得到的与坐标系X轴的夹角θ_i，即可完成移动机器人运动中心以速度V，且以角速度为ω进行的运动计划。

其中移动机器人的运动中心是两个舵轮连线的中点或者所述移动机器人的运动中心是三个及三个以上舵轮的几何中心。

其中所述“轮子与坐标系X轴的夹角θ_i”具体为，设定坐标系X轴正方向为0°，轮子逆时针旋转为正向，轮子顺时针旋转为负向，即轮子与坐标系X轴的夹角θ_i为正值时，轮子逆时针旋转θ_i°，轮子与坐标系X轴的夹角θ_i为负值时，轮子顺时针旋转θ_i°。

以上述算法，算法中需要确定的就是当前移动机器人运动中心的速度还有角速度，还有各个轮子与运动中心的相对位置关系，就能以任意一点为中心转动，或者全向运动，算法适用性广，并且不受转动半径限制，使得移动机器人更灵活，使用效率更高，而且控制方法简单。

下面罗列一些具体的实施例。

实例A：

以两个舵轮和两个转向轮组成的轮系结构的移动机器人为例，其中两个舵轮为主控单元，两个转向轮辅助控制方向，具体两个舵轮位于同一侧，相对的另一侧设置转向轮，以下对这种方式的移动机器人的全向运动控制方法分别作进一步说明。

参照附图2所示，移动机器人的运动中心点Ω作为坐标系的原点，A1和A4为舵轮，A2和A3为转向轮，以两个舵轮A1和A4连线的中点Ω作为移动机器人的运动中心，移动机器人计划运动中心以速度V，角速度为ω，以点P为移动机器人旋转中心做转向运动，其中运动中心速度V与车体坐标系的夹角为θ，V₁是舵轮A1的速度，θ₁是舵轮A1转向方向及角度，V₄是舵轮A4的速度，θ₄是舵轮A4转向方向及角度，θ₂是转向轮A2转向方向及角度，θ₃是转向轮A3转向方向及角度。L是A2和A3之间的距离，W是A2和A1的距离。图中R为转弯半径，R1，R2，R3，R4分别为旋转中心P到A1，A2，A3，A4的距离。

将移动机器人运动中心的速度V以及各个轮子的速度按X和Y方向进行速度分解，利用下列公式，计算出舵轮的行驶速度、舵轮的转向角度、转向轮的转向角度，控制系统执行对应的结果，实现计划的转向运动。

舵轮A1：

舵轮A1：

转向轮A2：

转向轮A3：

其中：

V_x＝V×cosθ；V_y＝V×sinθ；

根据上述计算公式，计算得到舵轮A1的速度V₁，舵轮A1转向方向及角度θ₁，舵轮A4的速度V₄，舵轮A4转向方向及角度θ₄，转向轮A2转向方向及角度θ₂，转向轮A3转向方向及角度θ₃，控制系统分别控制各个舵轮和转向轮按照上述结果实施，实现移动机器人运动中心以速度V，角速度为ω，以点P为移动机器人旋转中心做转向运动的运动计划。

上述全向运动可以概括为移动机器人任意方向平移、移动机器人自转、移动机器人以任意点为圆心转向三种方式，具体工作是这三种方式或者三种方式的任意组合。

参照附图3所示，是移动机器人任意方向平移，代入上述公式，得到两个舵轮与两个转向轮的角度与移动机器人的运动中心速度的方向一致，即θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ，两个舵轮的速度大小与运动中心的速度大小一致，即v₁＝v₄＝V。

参照附图4所示，是移动机器人自转，此时移动机器人的速度为0，代入上述公式，得到θ₁＝θ₂＝0，即两个舵轮的方向与舵轮的连线垂直，速度大小相同，方向相反，两个转向轮的方向与转向轮和运动中心的连线垂直。

参照附图5所示，是移动机器人以任意点为圆心转向，代入上述公式，得到求出两个舵轮的速度和方向v₁，θ₁，v₄，θ₄以及两个转向轮的角度θ₂，θ₃。

上述是对单侧舵轮四轮移动机器人的控制方法的说明。

实例B：

以两个舵轮和两个转向轮组成的轮系结构的移动机器人为例，其中两个舵轮为主控单元，两个转向轮辅助控制方向，具体是双舵轮以对角线布置，转向轮同样以对角线布置，以下对这种方式的移动机器人的全向运动控制方法分别作进一步说明。

参照附图6所示，移动机器人的运动中心点Ω作为坐标系的原点，A1和A3为舵轮，A2和A4为转向轮，以两个舵轮A1和A3连线的中点Ω作为移动机器人的运动中心，移动机器人计划运动中心以速度V，角速度为ω，以点P为移动机器人旋转中心做转向运动，其中运动中心速度V与车体坐标系的夹角为θ，V₁是舵轮A1的速度，θ₁是舵轮A1转向方向及角度，V₃是舵轮A3的速度，θ₃是舵轮A3转向方向及角度，θ₂是转向轮A2转向方向及角度，θ₄是转向轮A4转向方向及角度。L是A2和A3之间的距离，W是A2和A1的距离。图中R为转弯半径，R1，R2，R3，R4分别为旋转中心P到A1，A2，A3，A4的距离。

将移动机器人运动中心的速度V以及各个轮子的速度按X和Y方向进行速度分解，利用下列公式，计算出舵轮的行驶速度、舵轮的转向角度、转向轮的转向角度，控制系统执行对应的结果，实现计划的转向运动。

舵轮A1：

舵轮A3：

转向轮A2：

转向轮A4：；

其中：

V_x＝V×cosθ；V_y＝V×sinθ；

根据上述计算公式，计算得到舵轮A1的速度V₁，舵轮A1转向方向及角度θ₁，舵轮A3的速度V₃，舵轮A3转向方向及角度θ₃，转向轮A2转向方向及角度θ₂，转向轮A4转向方向及角度θ₄，控制系统分别控制各个舵轮和转向轮按照上述结果实施，实现移动机器人运动中心以速度V，角速度为ω，以点P为移动机器人旋转中心做转向运动的运动计划。

上述全向运动可以概括为移动机器人任意方向平移、移动机器人自转、移动机器人以任意点为圆心转向三种方式，具体工作是这三种方式或者三种方式的任意组合。

参照附图7所示，是移动机器人任意方向平移，代入上述公式，得到两个舵轮与两个转向轮的角度与移动机器人的运动中心速度的方向一致，即θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ，两个舵轮的速度大小与运动中心的速度大小一致，即v₁＝v₃＝V。

参照附图8所示，是移动机器人自转，此时移动机器人的速度为0，代入上述公式，得到 即两个舵轮的方向与舵轮的连线垂直，速度大小相同，方向相反，两个转向轮的方向与转向轮和运动中心的连线垂直。

参照附图9所示，是移动机器人以任意点为圆心转向，代入上述公式，得到求出两个舵轮的速度和方向v₁，θ₁，v₃，θ₃以及两个转向轮的角度θ₂，θ₄。

上述是对对角线舵轮四轮移动机器人的控制方法的说明。

实例C：

以两个舵轮和四个转向轮组成的轮系结构的移动机器人为例，其中两个舵轮为主控单元，两个转向轮辅助控制方向，具体是外周设置四个转向轮，中间设置两个舵轮，以下对这种方式的移动机器人的全向运动控制方法分别作进一步说明。

参照附图10所示，移动机器人的运动中心点Ω作为坐标系的原点，A5和A6为舵轮，A1、A2、A3和A4为转向轮，以两个舵轮A5和A6连线的中点Ω作为移动机器人的运动中心，移动机器人计划运动中心以速度V，角速度为ω，以点P为移动机器人旋转中心做转向运动，其中运动中心速度V与车体坐标系的夹角为θ，V₅是舵轮A5的速度，θ₅是舵轮A5转向方向及角度，V₆是舵轮A6的速度，θ₆是舵轮A6转向方向及角度，θ₁是转向轮A1转向方向及角度，θ₂是转向轮A2转向方向及角度，θ₃是转向轮A3转向方向及角度，θ₄是转向轮A4转向方向及角度。L是A2和A3之间的距离，W是A2和A1的距离，H是运动中心到舵轮的距离。图中R为转弯半径，R1，R2，R3，R4，R5，R6分别为旋转中心P到A1，A2，A3，A4，A5，A6的距离。

将移动机器人运动中心的速度V以及各个轮子的速度按X和Y方向进行速度分解，利用下列公式，计算出舵轮的行驶速度、舵轮的转向角度、转向轮的转向角度，控制系统执行对应的结果，实现计划的转向运动。

舵轮A5：

舵轮A6：

转向轮A1：

转向轮A2：

转向轮A3：

转向轮A4：；

其中：

V_x＝V×cosθ；V_y＝V×sinθ；

根据上述计算公式，计算得到舵轮A5的速度V₅，舵轮A5转向方向及角度θ₅，舵轮A6的速度V₆，舵轮A6转向方向及角度θ₆，转向轮A1转向方向及角度θ₁，转向轮A2转向方向及角度θ₂，转向轮A3转向方向及角度θ₃，转向轮A4转向方向及角度θ₄，控制系统分别控制各个舵轮和转向轮按照上述结果实施，实现移动机器人运动中心以速度V，角速度为ω，以点P为移动机器人旋转中心做转向运动的运动计划。

上述全向运动可以概括为移动机器人任意方向平移、移动机器人自转、移动机器人以任意点为圆心转向三种方式，具体工作是这三种方式或者三种方式的任意组合。

参照附图11所示，是移动机器人任意方向平移，代入上述公式，得到两个舵轮与四个转向轮的角度与移动机器人的运动中心速度的方向一致，即θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ₅＝θ₆＝θ，两个舵轮的速度大小与运动中心的速度大小一致，即v₅＝v₆＝V。

参照附图12所示，是移动机器人自转，此时移动机器人的速度为0，代入上述公式，得到 θ₅＝θ₆＝0，两个舵轮的方向与舵轮的连线垂直，速度大小相同，方向相反，四个转向轮的方向与转向轮和运动中心的连线垂直。

参照附图13所示，是移动机器人以任意点为圆心转向，代入上述公式，得到求出两个舵轮的速度和方向v₅，θ₅，v₆，θ₆以及四个转向轮的角度θ₁，θ₂，θ₃，θ₄。

上述是对六轮轮移动机器人的控制方法的说明。

实施例2：

一种全向重载移动机器人，使用上述实施例1所述的运动控制方法控制。

实施例3：

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如实施例1所述方法的步骤。

实施例4：

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例1中所述方法的步骤。