CN106364366B - 一种行星轮式越障机器人转向控制方法 - Google Patents

一种行星轮式越障机器人转向控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种行星轮式越障机器人转向控制方法，包括如下步骤：1)根据预设转弯半径R计算前、中、后梁角理论值；2)计算前、中、后梁角，测得机器人行星轮组当前转速和修正量，计算前、中、后梁角差值；3)确定行星轮组各电机理论转速；4)对各行星轮速度进行调节，测出电机当前转速；5)判断当前转速与理论转速的差值是否满足条件：若是，则继续，若否，则返回步骤4)；6)判断连续三次当前Δθ1,Δθ2,Δθ3是否满足条件：若是，则继续，若否，则返回步骤3)；7)判断机器人是否完成预设轨迹曲线：若是，则完成转向控制，若否，则转入步骤6)。本发明可实现机身允许范围内任意给定转弯半径的转向运动，具有转向灵活、精度高等优点。

Description

一种行星轮式越障机器人转向控制方法
技术领域
本发明属于机器人控制领域，更具体地，涉及一种行星轮式越障机器人转向控制方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人们越来越需要机器人在许多恶劣环境下进行工作，如：星球表面探索，消防，火场探测，有毒、易燃、易爆场所探测以及无人战场等。复杂、未知、多变的非结构环境对机器人的越障能力提出了很高的要求，越障机器人应具备良好的适应性、稳定性和灵活性，所以针对越障机器人的控制研发具有广泛的应用前景。
对于越障机器人的转向方式，传统技术中动力不是直接将其初始的状态传递给车轮，而是必须经过离合器、减速器、传动桥、差速器和半轴等几种装置才能驱动车轮，这使得整车的机构复杂，机械传动中的损耗较大，易产生振动噪音等问题。
华中科技大学硕士论文《一种新型越障机器人的设计与开发》里介绍了一种越障机器人，其体积小，质量轻，采用了6个独立的行星轮组作为驱动，具有良好的越障能力。该机器人采用差速转向系统，取消了传统转向技术中必备的差速器等机械结构，完全通过电控的方式来控制各个车轮的转速，使车轮以不同的速度转动从而形成转向半径内、外侧车轮的速度差，进而达到转向的目的。但是，这种转向方式不可避免的会产生滑移，在摩擦力较大的地面行进困难。因此，设计一种新型的转向控制方法具有重要的应用价值。
专利CN1475390公开了一种四轮电子差速转向控制系统，其总结了四轮电子差速系统的组成，提出了一种保持四轮纯滚动的四轮转速方式；专利CN103723188A公开了一种差速转向机构的控制方法、系统及应用该系统的工程机械，其根据当前速度和转向角度判定当前工况，以实现差速转向系统的稳定控制。但上述控制系统和方法均无法适用于行星轮式越障机器人，针对新型结构的行星轮式越障机器人，需提出一种新型的转向控制方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机器人转向控制方法，其中根据行星轮式越障机器人自身的特点，相应设计了适用于行星轮式越障机器人的转向控制方法，可实现机身允许范围内任意给定转弯半径的转向运动，极大的降低了车轮在行驶过程中与地面间的滑移，具有控制操作简单，转向精度高等优点。
为实现上述目的，本发明提出了一种行星轮式越障机器人转向控制方法，包括如下步骤：
(1)预设越障机器人的转向角度及转弯半径R，根据该转弯半径R计算出越障机器人的前梁角理论值θi1、中梁角理论值θi2和后梁角理论值θi3；
(2)获取越障机器人当前的位姿参数，计算获得越障机器人的前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3，并测得越障机器人六个行星轮组的当前转速ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6；根据所述θi1、θi2、θi3、θ1、θ2和θ3计算获得越障机器人的前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3；
(3)根据所述前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3确定六个行星轮组各自的电机速度修正量Δω和电机理论转速ω'；
(4)根据所述电机速度修正量对各行星轮组的转速进行调节，并测出各行星轮组电机的当前转速；
(5)判断各行星轮组电机的当前转速与理论转速的差值是否在误差允许范围内：若是，则进入步骤(6)，若不是，则返回步骤(4)；
(6)获取越障机器人当前的前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3，并计算当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3，判断当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3是否在误差允许范围内：若不是，则返回步骤(3)，若是，则再次获取越障机器人当前的前梁角、中梁角和后梁角，并计算当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3，直至连续三次计算获得的当前Δθ1,Δθ2,Δθ3均在误差范围内，进入步骤(7)；
(7)机器人进入稳定转弯状态，判断机器人车身的转向角度是否达到预设的转向角度：若是，则进入下一步；若不是，则继续进行稳定转弯；
(8)设前梁角理论值θi1、中梁角理论值θi2和后梁角理论值θi3都为90°，然后重复步骤(2)～(6)，直至步骤(6)中当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3在误差允许范围内，结束转向控制，以此方式，完成越障机器人的转向控制。
作为进一步优选的，所述θi1、θi2、θi3采用如下公式计算获得：
θi2＝90°；
式中，lOA表示越障机器人转弯中心点O到越障机器人前驱动组中心点A的距离，lBC表示越障机器人转弯中心点O到越障机器人中驱动组中心点B的距离。
作为进一步优选的，所述前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角采用角度传感器测得。
作为进一步优选的，所述前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3采用如下公式计算获得：
Δθ1＝θ1-θi1；
Δθ2＝θ2-θi2；
Δθ3＝θ3-θi3。
作为进一步优选的，所述六个行星轮组各自的电机速度修正量和电机理论转速由角度PID控制算法确定，具体采用如下公式计算为：
ω1'＝ω1+Δω1；ω2'＝ω2-Δω1；
ω3'＝ω3-Δω2；ω4'＝ω4+Δω2；
ω5'＝ω5-Δω3；ω6'＝ω6+Δω3；
Δω1＝kΔθ1,Δω2＝kΔθ2,Δω3＝kΔθ3；
式中，ω1',ω2',ω3',ω4',ω5',ω6'表示各行星轮组的理论转速，Δω1,Δω2,Δω3表示各驱动组的电机转速修正量，k为比例系数。
作为进一步优选的，步骤(4)中的误差取值为0.01ω'，其中ω'为理论转速，步骤(5)中的误差取值优选为0～1°，所述预设的转向角度为60°～180°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种全新的适用于行星轮式越障机器人的转弯控制方法，其能在机器人机身允许的范围内，实现任意给定转弯半径的转向运动，提高了越障机器人的转弯灵活度以及转弯精度。
2.本发明采用差速转向控制的方式实现越障机器人的转向，极大的降低了车轮在行驶过程中与地面间的滑移，延长了越障机器人的使用寿命。
3.本发明提供的控制方法控制车轮的转向角同时调整，配合完成越障机器人的转向，大大简化了机器人结构并提高了机器人操纵的稳定性，灵活性以及智能性。
附图说明
图1是六行星轮越障机器人的构示意图；
图2是六行星轮越障机器人前驱动组的结构示意图；
图3是六行星轮越障机器人前车体和后车体铰接示意图；
图4是六行星轮越障机器人转弯过程俯视示意图；
图5(a)和(b)是六行星轮越障机器人位姿调整前后的俯视示意图；
图6是六行星轮越障机器人由直线行驶变为转弯行驶的控制方法流程图；
图7是六行星轮越障机器人控制系统框图；
图8是四行星轮越障机器人结构示意图；
图9是四行星轮越障机器人转弯过程俯视示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的核心是提供一种行星轮式越障机器人的转向控制方法，采用差速转向控制，实现任意给定转弯半径的转向运动，极大的降低了车轮在行驶过程中与地面间的滑移。
如图1-3所示，本发明中运用的行星轮式越障机器人，包括车体及用于支撑车体的三个驱动组，所述车体包括前车体100和后车体200，前车体100通过水平设置的铰接轴10铰接在后车体200上，所述的三个驱动组按从前至后的顺序依次为前驱动组300(前梁)、中驱动组400(中梁)以及后驱动组500(后梁)。
其中，前驱动组300包括支撑梁303、两个动力驱动装置305和306、两个行星轮组301和302，两个行星轮组左右设置，左行星轮组301安装在左驱动装置305上，左驱动装置305用于驱动左行星轮组301移动，右行星轮组302安装在右驱动装置306上，右驱动装置306用于驱动右行星轮组302移动，左右两驱动装置305和306固定在支撑梁303上，前驱动组300通过竖直设置的铰接轴304铰接在前车体上，角度传感器307安装在铰接轴304上。所述中驱动组400以及后驱动组500的结构与前驱动组300的结构完全相同，中驱动组400以及后驱动组500同样通过铰接轴铰接在前车体上，各自的铰接轴上同样设置有角度传感器。
下面结合图4-7对六行星轮驱动越障机器人实现机身允许范围内的任意转弯半径的转向控制进行说明。
如图4所示，以中驱动组400的中心B点为原点，以中梁(即中驱动组400)在图中的当前位姿方向为X轴方向，以当前越障机器人的前进方向为Y轴方向建立直角坐标系。初始状态下，行星轮式越障机器人六行星轮以角速度ω处在匀速直行前进的状态下，开始转弯后，整个转弯过程一次经历三个阶段：位姿调整阶段501、稳定转弯阶段502和位姿调整阶段503。
如图5所示，图5(a)为越障机器人初始位姿状态，图中301，302，401，402，501，502分别对应越障机器人的六个行星轮组，A表示铰接轴304中心，B表示铰接轴中心，C表示铰接轴中心，前梁角(即行星轮组301、302中心点连线与AB之间的夹角)当前值为θ1、中梁角(即行星轮组401、402中心点连线与AB之间的夹角)当前值为θ2、后梁角(即行星轮组501、502中心点连线与BC之间的夹角)的当前值为θ3；图5(b)为越障机器人转弯过程中的理想位姿状态，图中，前梁角的理论值为θi1，中梁角理论值为θi2，后梁角理论值为θi3，R为越障机器人达到稳定转弯状态下的转弯半径，O为越障机器人达到稳定转弯状态下的转弯中心点。
下面结合附图详细说明越障机器人转向控制方法的步骤：
(1)预设越障机器人的转向角度及转弯半径R，根据该转弯半径R计算出越障机器人的前梁角理论值θi1、中梁角理论值θi2和后梁角理论值θi3。
具体的，由于前车体通过水平设置的铰接轴铰接在后车体上，且中梁延长线经过转弯中心点O，则θi2＝90°；而在三角形OAB中，由lOA 2＝R2+lAB 2-2×R×lAB×cos(θi2)得出lOA的值，由得出：
在三角形OAB中，有：
式中，lOA表示越障机器人转弯中心点O到越障机器人前驱动组中心点A的距离，lBC表示越障机器人转弯中心点O到越障机器人中驱动组中心点B的距离。
(2)通过传感器获取越障机器人当前的位姿参数：由前驱动组的角度传感器307测得越障机器人的前梁角θ1，由中驱动组的角度传感器测得中梁角θ2，由后驱动组的角度传感器测得后梁角θ3，并由霍尔测速得到越障机器人六个行星轮组的当前转速ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6(分别对应行星轮组301,302,401,402,501,502的转速)；根据所述θi1、θi2、θi3、θ1、θ2和θ3计算获得越障机器人的前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3；
所述前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3采用如下公式计算获得：
Δθ1＝θ1-θi1；
Δθ2＝θ2-θi2；
Δθ3＝θ3-θi3。
(3)本发明实施例提供的控制系统采用角度PID反馈控制，由当前的前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2以及后梁角差值Δθ3，应用角度PID控制算法确定六个行星轮组各自的电机转速修正量Δω和电机的理论转速ω'。
如图7所示，角度PID反馈控制包括角度PID控制模块701、速度PID控制模块702和系统状态检测模块703，速度PID控制模块702由速度PID控制704、电机执行模块705和霍尔测速模块706组成。
角度PID控制模块701根据前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2以及后梁角差值Δθ3以及当前的系统状态对理论转速ω'进行计算，计算方式如下：
Δω1＝kΔθ1,Δω2＝kΔθ2,Δω3＝kΔθ3；
ω1'＝ω1+Δω1,ω2'＝ω2-Δω1；
ω3'＝ω3-Δω2,ω4'＝ω4+Δω2；
ω5'＝ω5-Δω3,ω6'＝ω6+Δω3；
式中，Δω1,Δω2,Δω3分别对应前驱动组、中驱动组和后驱动组的电机转速修正量，ω1',ω2',ω3',ω4',ω5',ω6'分别对应行星轮组301,302,401,402,501,502的理论转速，k为比例系数，k的取值与传统PID方法相似，k能保证在足够小的时间内完成位姿调整，并满足位姿调整过程产生的轨迹偏差在误差允许的范围内。
(4)根据所述电机的理论转速由速度PID算法控制各电机对各行星轮组的转速进行调节。速度PID控制模块具体的控制原理如下：
u(k)＝Kp*e(k)+Ki*T*∑e(k)+Kd*(e(k)-e(k-1))/T；
e(k)＝r(k)-y(k)；
式中，T为采样周期，必须保证T足够小，保证速度PID控制有一定的精度；k为采样序列号，k＝0，1，2，......；r代表转速的期望值，在这里指的是理论转速ω'；y代表转速的实际输出值，在这里为霍尔测速模块706测得的转速当前值；e代表输入的误差，为r与y的差值，u代表输出值，在这里对应转速的调整值。Kp代表比例系数，Ki代表积分系数，Kd代表微分系数，要求Kp,Ki,Kd的取值保证在足够小的时间内完成转速的调整，并满足转速调整过程产生的轨迹偏差在误差允许的范围内，均为已知参数，可实际测得。
(5)由霍尔测速更新各行星轮组电机的当前转速值ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6，判断各行星轮组电机的当前转速ω与理论转速ω'的差值是否在误差ε允许范围内：如果在误差允许的范围内，则进入下一步，如果不在误差允许的范围内，则返回步骤(4)；所述误差ε取值为理论转速的0.01，为0.01ω'。
(6)系统状态检测模块检测一次系统状态量(检测一次为一个采样周期)，更新当前的前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3值，并由当前的θ1、θ2和θ3更新当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3，判断当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3是否在误差允许的范围ε'内，如果不在误差允许的范围内，则返回步骤(3)；如果在误差允许的范围内，则进行第二次系统状态量检测(即进入第二个采样周期)，更新当前的前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3值，并由当前的θ1、θ2和θ3更新当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3，判断当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3是否在误差允许的范围ε'内，直至连续三个采样周期内的系统状态量Δθ1,Δθ2,Δθ3都在误差允许的范围内(即连续三次采样计算获得的Δθ1,Δθ2,Δθ3均在误差允许范围内，此时可保证越障机器人进入稳定转弯状态，如果连续三次采样获得的Δθ1,Δθ2,Δθ3有任何一次不在误差允许范围内，都需返回步骤(3))，进入步骤(7)，所述误差ε'值取为0～1°，自此完成位姿调整阶段501。
(7)然后越障机器人进入稳定转弯阶段502，即以当前的转速进行稳定转弯，其转弯半径和各个轮子的转速趋于稳定值，判断机器人车身的转向角度(可以前梁的转向角度为准，该角度从机器人进入稳定转弯阶段开始计算，即图4中转弯阶段502曲线段所对的圆角，该圆以O点为原点)是否达到预设的转向角度：若是，则进入下一步；若不是，继续进行稳定转弯；所述预设的转向角度取值范围60°～180°。
(8)此时越障机器人进入位姿调整阶段503，此时前梁角的理论值θi1、中梁角理论值θi2和后梁角理论值θi3都为90°，重复步骤(2)～(6)，直至步骤(6)中当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3在误差允许范围ε'内，结束转向控制，此时为匀速直线行驶阶段，机器人由曲线行驶转为直线行驶，以此方式，完成越障机器人的转向控制。
本发明所涉及到的控制方法在四行星轮越障机器人中同样适用，四行星轮越障机器人结构图如图8所示，转弯过程如图9所示。其中，
图8中，100代表车体，200代表前驱动组，300代表后驱动组，前驱动组200通过竖直设置的铰接轴10铰接在车体上，驱动组300通过竖直设置的铰接轴20铰接在车体上。图9中，以车体100的中心O点为原点，以过O点且以前驱动组200在图中的当前位姿方向确定X轴方向，以当前越障机器人的前进方向为Y轴方向建立直角坐标系。A代表转弯过程中的理论圆心，R代表转弯过程中的理论半径。
四行星轮越障机器人没有中驱动组，四行星轮越障机器人的前驱动组和后驱动组分别对应六行星轮越障机器人的前驱动组和后驱动组。以上述六行星轮越障机器人的前驱动组和后驱动组参数的控制方法直接控制四驱动组的前驱动组和后驱动组的参数，实现四行星轮越障机器人的转向。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种行星轮式越障机器人转向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)预设越障机器人的转向角度及转弯半径R，根据该转弯半径R计算出越障机器人的前梁角理论值θi1、中梁角理论值θi2和后梁角理论值θi3；
(2)获取越障机器人当前的位姿参数，计算获得越障机器人的前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3，并测得越障机器人六个行星轮组的当前转速ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6；根据所述θi1、θi2、θi3、θ1、θ2和θ3计算获得越障机器人的前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3；
(3)根据所述前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3确定六个行星轮组各自的电机速度修正量Δω和电机理论转速ω'；
(4)根据所述电机速度修正量对各行星轮组的转速进行调节，并测出各行星轮组电机的当前转速；
(5)判断各行星轮组电机的当前转速与理论转速的差值是否在误差允许范围内：若是，则进入步骤(6)，若不是，则返回步骤(4)；
(6)获取越障机器人当前的前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3，并计算当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3，判断当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3是否在误差允许范围内：若不是，则返回步骤(3)，若是，则再次获取越障机器人当前的前梁角、中梁角和后梁角，并计算当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3，直至连续三次计算获得的当前Δθ1,Δθ2,Δθ3均在误差范围内，进入步骤(7)；
(7)机器人进入稳定转弯状态，判断机器人车身的转向角度是否达到预设的转向角度：若是，则进入下一步；若不是，则继续进行稳定转弯；
(8)设前梁角理论值θi1、中梁角理论值θi2和后梁角理论值θi3都为90°，然后重复步骤(2)～(6)，直至步骤(6)中当前的Δθ1,Δθ2,Δθ3在误差允许范围内，结束转向控制，以此方式，完成越障机器人的转向控制。
2.如权利要求1所述的行星轮式越障机器人转向控制方法，其特征在于，所述θi1、θi2、θi3采用如下公式计算获得：
θi2＝90°；
式中，lOA表示越障机器人转弯中心点O到越障机器人前驱动组中心点A的距离，lBC表示越障机器人转弯中心点O到越障机器人中驱动组中心点B的距离。
3.如权利要求1所述的行星轮式越障机器人转向控制方法，其特征在于，所述前梁角θ1、中梁角θ2和后梁角θ3均采用角度传感器测得。
4.如权利要求3所述的行星轮式越障机器人转向控制方法，其特征在于，所述前梁角差值Δθ1、中梁角差值Δθ2和后梁角差值Δθ3采用如下公式计算获得：
Δθ1＝θ1-θi1；
Δθ2＝θ2-θi2；
Δθ3＝θ3-θi3。
5.如权利要求4所述的行星轮式越障机器人转向控制方法，其特征在于，所述六个行星轮组各自的电机速度修正量和电机理论转速由角度PID控制算法确定，具体采用如下公式计算：
ω1'＝ω1+Δω1；ω2'＝ω2-Δω1；
ω3'＝ω3-Δω2；ω4'＝ω4+Δω2；
ω5'＝ω5-Δω3；ω6'＝ω6+Δω3；
Δω1＝kΔθ1,Δω2＝kΔθ2,Δω3＝kΔθ3；
式中，ω1',ω2',ω3',ω4',ω5',ω6'表示各行星轮组的理论转速，Δω1,Δω2,Δω3表示各驱动组的电机转速修正量，k为比例系数。
6.如权利要求1-5任一项所述的行星轮式越障机器人转向控制方法，其特征在于，步骤(5)中的误差取值为0.01ω'，其中ω'为理论转速，步骤(6)中的误差取值为0～1°，步骤(7)中的预设的转向角度为60°～180°。
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