CN106379409A - 角度可控动力差速全向轮及其控制方法以及全向移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了角度可控动力差速全向轮及其控制方法以及全向移动平台，涉及机械制造与装配、智能控制的技术领域。角度可控动力差速全向轮，包括：轮架主体、回转支承轴承、两个车轮、两个弹性联轴器、两个减速电机、陀螺仪、控制器，全向轮的控制方法对两车轮的转速进行闭环控制以使全向轮的实际方位角跟踪其期望值，灵活转向、成本较低，能够满足重型装备或货物运输中的全向移动需求。全向平台包含全向轮以及通过回转支承轴承与全向轮连接的平台底板，实现了平台底板不转向的灵活移动。

Description

角度可控动力差速全向轮及其控制方法以及全向移动平台

技术领域

本发明公开了角度可控动力差速全向轮及其控制方法以及全向移动平台，涉及机械制造与装配、智能控制的的技术领域。

背景技术

目前，全向移动平台可以实现车辆全向运动的功能，主要有采用麦克纳姆轮(以下称“麦克轮”)的全向平台和采用专门转向控制机构的移动平台。

采用麦克轮的全向车转向灵活，并可以实现任意方向的移动，由于其出现的时间较早，业界对其研究较为深入，相关控制方法较为成熟，运动精度比较高。由于麦克轮设计结构复杂、单个轮组价格昂贵、维护性能较差，其对于环境要求较高，特别是对于工作场地的平整度有着很高的要求，难以在一般的生产实践中推广使用。

采用专门转向控制机构的移动平台，通过直接对定位方向的驱动轮或从动轮进行转矩控制，可以实现对车身整体运动姿态的控制，在一些专门的设计布局下，也可以实现一定精度的全向控制。但是该方案需要专门设计转向控制机构，增加了系统的复杂度，增加了控制系统的设计难度，同时，由于转向机构的存在，对车辆或平台的重量承受能力产生了限制。一般转向机构都较为复杂，维护也比较困难。

名称为《一种用于电动轮椅的全向移动装置》(专利号为201110023287.6)的专利公开的全向移动装置，包括驱动底盘、回转机构、支撑底盘，支撑底盘上安装有主动轮，并起到支撑的作用；驱动底盘上安装有方向锁定脚轮，回转机构用来连接支撑底盘与驱动底盘，并且使驱动底盘可沿回转机构轴向运动。该方案的转向机构为电磁离合器等装置，使得整个全向移动装置的结构复杂、承重能力较差，在承重较大负载时容易出现故障；驱动轮的方向定位通过电磁离合器实现，通过机械结构来保持运动方向使得整个全向移动装置的使用寿命与可靠性不佳；转向机构在换向过程中需要周围四个换向脚轮的辅助，全向移动装置的灵活性较差，较多的被控对象增大了装置的复杂度；整个全向移动装置无法实现自适应运动，精度较差。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了角度可控动力差速全向轮及其控制方法以及全向移动平台，以简单的机械结构和电气连接方式实现了全向轮和移动平台的灵活转动，解决了麦克轮应用场合受限、带有转向机构的移动平台控制复杂的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

角度可控动力差速全向轮，包括：轮架主体、回转支承轴承、两个车轮、两个弹性联轴器、两个减速电机、陀螺仪、控制器，

所述轮架主体包含：承受负载的水平板、两块用于固定车轮的垂直板、两块用于传递全向轮所承受负载的垂直板以及与它们固定连接的承重板，每块垂直板都与水平板固定连接，所述回转支承轴承的内圈固定在水平板上，每个车轮轮轴的一端固定在一块垂直板上，每个车轮轮轴的另一端穿过一块用于传递全向轮所承受负载的垂直板与一个弹性联轴器的一端连接，每个弹性联轴器的另一端与一个减速电机的输出轴连接，每个减速电机的输出轴上都安装有一个光电测速模块，控制器和两个减速电机搭载在承重板上，陀螺仪搭载在轮架主体上；

每个光电测速模块实时检测一个车轮的实际转速，陀螺仪实时检测全向轮的实际方位角，控制器根据接收的车轮实际转速、全向轮的实际方位角以及全向轮方位角的期望值调整两车轮的转速。

作为所述角度可控动力差速全向轮的进一步优化方案，每个车轮轮轴的一端通过与其过盈配合的轮毂轴承固定在一块垂直板上。

角度可控动力差速全向轮的控制方法，对两车轮的转速进行闭环控制以使全向轮的实际方位角跟踪其期望值，具体为：

由全向轮运动学模型：计算全向轮角速度，分别对两车轮实际转速和全向轮方位角变化量期望值的差值进行PID调节得到各减速电机驱动电路的PWM信号，各减速电机在驱动电路的作用下带动车轮转动，在陀螺仪检测出全向轮运动到指定位置时结束整个控制方法，其中，为全向轮角速度，为全向轮角速度为时在参考坐标系中的实际位置，θ为全向轮的当前方位角，L为两车轮之间的轴向距离，V₁、V₂为两车轮的线速度。

全向移动平台，包括：权利要求1或2所述角度可控动力差速全向轮、平台底板和四个随动支撑轮，所述平台底板通过回转支承轴承的外圈固定在平台底板的质心处，四个随动支撑轮安装在平台底板的几何四周且在平台底板确定的平面内均匀分布。

控制全向移动平台做直线运动的方法，

首先，差速驱动全向轮的两车轮以控制全向轮转动目标角度，所述目标角度根据全向移动平台的从起点运动至终点的轨迹确定；

接着，以全向轮方位角变化量为0对全向轮两车轮的转速进行闭环控制。

控制全向移动平台做曲线运动的方法，

首先，差速驱动全向轮的两车轮以控制全向轮开始转向；

接着，控制转动的两车轮速度差恒定以使全向轮的方位角随时间均匀改变。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种角度可控动力差速全向轮，通过简单的标准件和简单的电气控制结构实现了全向轮的灵活转向，成本较低，易于维护，能够满足重型装备或货物运输中的全向移动需求，可以在移动机器人、移动运输平台等相关领域使用；

(2)本发明采用MEMS陀螺仪作为角度传感器以实时检测全向轮的方位角，再采用PID算法对全向轮车轮的线速度进行闭环控制，能够满足全方位各个角度灵活移动的精度需求，在运动轨迹出现偏差时能够通过及时调整车轮转速以实现全向轮运动轨迹的自适应调整，同时能够避免机械转向带来的磨损问题；

(3)本发明还提出了一种采用全向轮实现的全向移动平台，结合全向轮的控制方法能够通过全向移动平台的转向控制，平台底板因为标准件的润滑作用相对于地面静止，即实现了平台底板不转向的灵活移动。

附图说明

图1是角度可控动力差速全向轮模型示意图。

图2是本全向移动平台的示意图。

图3是角度可控动力差速全向轮运动模型示意图。

图4是全向移动平台运动过程示意图。

图5是全向移动平台直线运动效果示意图。

图6是全向移动平台曲线运动效果示意图。

图7是全向轮车轮线速度闭环控制的框图。

图8为角度可控动力差速全向轮的电气控制框图。

图9为全向轮控制的整体流程图。

图10为控制全向移轮转向的流程图。

图中标号说明：1、轮架主体，2、回转支承轴承，3、车轮，4、弹性联轴器，5、减速电机，6、轮毂轴承，7、角度可控动力差速全向轮，8、随动支撑轮，9、平台底板，12、MEMS陀螺仪，13、控制器，14、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明涉及的角度可控动力差速全向轮如图1所示，包括：轮架主体1、回转支承轴承2、两个车轮3、两个弹性联轴器4、两个减速电机5、陀螺仪12、控制器13。轮架主体1包含：承受负载的水平板、两块用于固定车轮的垂直板、两块用于传递全向轮所承受负载的垂直板以及与它们固定连接的承重板，每块垂直板都与水平板固定连接，回转支承轴承2的内圈固定在水平板上，每个车轮3轮轴的一端固定在一块垂直板上，每个车轮3轮轴的另一端穿过一块用于传递全向轮所承受负载的垂直板与一个弹性联轴器4的一端连接，每个弹性联轴器4的另一端与一个减速电机5的输出轴连接，每个减速电机5的输出轴上都安装有一个光电测速模块，控制器13和两个减速电机5搭载在承重板上，陀螺仪12搭载在轮架主体1上，搭载在承重板上的电源模块14为两减速电机5供电。每个光电测速模块实时检测一个车轮的实际转速，陀螺仪12实时检测全向轮的实际方位角，控制器13根据接收的两车轮实际转速、全向轮的实际方位角以及全向轮方位角的期望值调整各车轮的转速。

轮架主体1连接各部分构建，承受负载压力和轮轴压力；回转支承轴承2作为回转机构，连接平台底板9和轮架主体1，起到承受轴向和径向压力的作用；车轮3的轮轴与轮毂轴承6过盈配合，轮胎与地面接触实现运动；弹性联轴器4连接减速电机5的输出轴和车轮3的轮轴，实现动力传递；减速电机为整车提供动力，测速信号输出到控制器作为车轮转速反馈；轮毂轴承6将车轮3的轮轴固定在轮架主体1上，且将载荷传递给轮架主体1。

全向轮的电气连接图如图8所示，采用单片机作为控制器，采用H桥电路作为电机驱动电路，采用光耦编码盘检测车轮的线速度，采用3轴MEMS陀螺仪检测全向轮的方位角。上位机接收陀螺仪检测的全向轮方位角并通过通信模块向单片机传达运动指令；本申请涉及的全向轮还可以从移动端的监视器获取运动指令，监视器通过通信模块向单片机传达控制指令。整个电气控制方案通过搭建数字信号系统，根据期望的全向轮方位角对车轮线速度进行闭环控制，以简单的电气连接方式实现了全向轮精确控制，对每个车轮线速度的闭环控制框图如图7所示。控制全向轮的整体流程图如图9所示。

全向移动平台如图2所示，角度可控动力差速全向轮7安装在平台底板9的质心位置，四个随动支撑轮8分别安装在平台底板9的几何四周且均匀对称分布。

以上主要描述的是角度可控动力差速全向轮和全向移动平台的结构和组成，下面将结合相关示意图介绍角度可控动力差速全向轮和全向移动平台控制方法，并给出全向移动平台的运动效果示意图。

图3为角度可控动力差速全向轮的俯视图。其中，d为车轮直径；L为两车轮之间的轴向距离；V₁、V₂分别为两个车轮的线速度；Vc为轮轴中心点C的线速度；o为转向中心，即全向轮转动的瞬心；r为轮轴中心到瞬心o的距离，即全向轮转向半径；θ为轮轴过中心点C在水平投影面的垂线与坐标系x轴所成角度，用来描述全向轮在该坐标系内的方位角，并以右手定则确定其转动过程的角速度值的正负，根据几何关系，容易证明Δθ数值等于轮轴转过的角度，因此，即为全向轮以瞬心o为圆心转动过程中的角速度。

推导和建立了全向轮运动学模型的过程如下：

在不考虑车轮侧向滑动影响的情况下，根据其运动学关系，可得轮轴中心点C的线速度V_c大小为：

$V_c=\frac{V_1+V_2}{2}---\left(1.1\right)$

两轮的线速度V₁、V₂与全向轮以瞬心o为圆心转动过程中的角速度关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1=\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}(R+\frac{L}{2})\\ V_2=\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}(R-\frac{L}{2})\end{array}\right.---\left(1.2\right)$

可以解得全向轮以瞬心o为圆心转动过程中的角速度的大小为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{V_1-V_2}{L}---\left(1.3\right)$

还可得到瞬时转向半径R为：

$R=\frac{L(V_1+V_2)}{2(V_2-V_1)}---\left(1.4\right)$

则全向轮的运动学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c=\frac{V_1+V_2}{2}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{V_1-V_2}{L}\end{array}\right.---\left(1.5\right)$

将轮轴中心点C的线速度V_c分解到x轴和y轴，得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=V_C\cos \mathrm{\θ}\\ \frac{dy}{dt}=V_C\sin \mathrm{\θ}\\ \frac{d\mathrm{\θ}}{dt}=\frac{V_1-V_2}{L}\end{array}\right.---\left(1.6\right)$

由上述表达式可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=cos\mathrm{\θ}\frac{(V_1+V_2)}{2}\\ \frac{dy}{dt}=sin\mathrm{\θ}\frac{(V_1+V_2)}{2}\\ \frac{d\mathrm{\θ}}{dt}=\frac{(V_1-V_2)}{L}\end{array}\right.---\left(1.7\right)$

整理可以得到：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ \stackrel{\·}{y}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\frac{cos\mathrm{\θ}}{2}& \frac{cos\mathrm{\θ}}{2}\\ \frac{sin\mathrm{\θ}}{2}& \frac{\sin \mathrm{\θ}}{2}\\ {\left(L\right)}^{-1}& -{\left(L\right)}^{-1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\end{array}\right)---\left(1.8\right)$

式中，为全向轮角速度为时在地面坐标系中的实际位置。

由此，得到了角度可控动力差速全向轮的运动学模型，从中我们可以看出，对于全向轮而言，其速度与方位角度都由两个车轮的速度所确定，因而，通过控制左右车轮的速度，可以实现对全向轮的控制，进而控制全向移动平台。

图4为全向移动平台运动过程示意图，在微小运动范围内以直线运动为例，介绍了全向移动平台的运动过程和基本原理：首先对全向轮进行转向运动，也就是对全向驱动轮的方位姿态角进行控制，使其达到预定角度，即状态P0到状态P1的过程；然后控制全向轮在以地面作为参考系的平面内做直线运动，且在这一过程中保持全向轮的方位角不变(即图7中所示的全向轮方位角变化量ω_T为0)以保证移动平台沿预定轨迹运动，即状态P1到P2的过程，参见图5。

全向平台的曲线运动，通过控制全向轮两车轮以固定的速度差运动(如图3所示，这时，全向驱动轮将以O为回转中心进行转动)，使得全向轮的方位角随时间均匀改变，此时，全向移动平台的运动轨迹如图6所示。

全向轮转向的控制流程图如图10所示，校准陀螺仪并获取运动指令，控制器根据运动指令计算目标转向角度进而生成全向轮方位角变化量期望值ω_T，控制器根据目标转向角度驱动一个车轮运动，另一车轮也跟随运动，光耦编码盘检测各车轮的线速度，控制器根据全向轮方位角变化量期望值ω_T(直线运动时为0，曲线运动时为一随时间均匀变化的量)对车轮线速度进行闭环控制，直至全向轮的方位角达到目标值时结束转向控制。

由于回转支承轴承处于充分润滑状态，全向轮方位角变化量为ωT时，全向移动平台底板受到全向轮的转矩Tf作用极小，同时，全向平台四周的四个随动支撑轮受地面的静摩擦力对于全向轮回转中心产生的转矩可以抵消Tf，因此，全向移动平台的底板在全向轮进行方位转向的过程中可以保持相对于地面的静止状态。

Claims (6)

1.角度可控动力差速全向轮，包括：轮架主体(1)、回转支承轴承(2)、两个车轮(3)、两个弹性联轴器(4)、两个减速电机(5)、陀螺仪(12)、控制器(13)，

所述轮架主体(1)包含：承受负载的水平板、两块用于固定车轮的垂直板、两块用于传递全向轮所承受负载的垂直板以及与它们固定连接的承重板，每块垂直板都与水平板固定连接，所述回转支承轴承(2)的内圈固定在水平板上，每个车轮(3)轮轴的一端固定在一块垂直板上，每个车轮(3)轮轴的另一端穿过一块用于传递全向轮所承受负载的垂直板与一个弹性联轴器(4)的一端连接，每个弹性联轴器(4)的另一端与一个减速电机(5)的输出轴连接，每个减速电机(5)的输出轴上都安装有一个光电测速模块，控制器(13)和两个减速电机(5)搭载在承重板上，陀螺仪(12)搭载在轮架主体(1)上；

每个光电测速模块实时检测一个车轮的实际转速，陀螺仪实时检测全向轮的实际方位角，控制器根据接收的车轮实际转速、全向轮的实际方位角以及全向轮方位角的期望值调整两车轮的转速。

2.根据权利要求1所述角度可控动力差速全向轮，其特征在于，所述每个车轮(3)轮轴的一端通过与其过盈配合的轮毂轴承(6)固定在一块垂直板上。

3.权利要求1或2所述角度可控动力差速全向轮的控制方法，其特征在于，对两车轮的转速进行闭环控制以使全向轮的实际方位角跟踪其期望值，具体为：

由全向轮运动学模型：计算全向轮角速度，分别对两车轮实际转速和全向轮方位角变化量期望值的差值进行PID调节得到各减速电机驱动电路的PWM信号，各减速电机在驱动电路的作用下带动车轮转动，在陀螺仪检测出全向轮运动到指定位置时结束整个控制方法，其中，为全向轮角速度，为全向轮角速度为时在参考坐标系中的实际位置，θ为全向轮的当前方位角，L为两车轮之间的轴向距离，V₁、V₂为两车轮的线速度。

4.全向移动平台，其特征在于，包括：权利要求1或2所述角度可控动力差速全向轮(7)、平台底板(9)和四个随动支撑轮(8)，所述平台底板(9)通过回转支承轴承(2)的外圈固定在平台底板(9)的质心处，四个随动支撑轮(8)安装在平台底板(9)的几何四周且在平台底板(9)确定的平面内均匀分布。

5.控制权利要求4所述全向移动平台做直线运动的方法，其特征在于，

首先，差速驱动全向轮的两车轮以控制全向轮转动目标角度，所述目标角度根据全向移动平台的从起点运动至终点的轨迹确定；

接着，以全向轮方位角变化量为0对全向轮两车轮的转速进行闭环控制。

6.控制权利要求4所述全向移动平台做曲线运动的方法，其特征在于，

首先，差速驱动全向轮的两车轮以控制全向轮开始转向；

接着，控制转动的两车轮速度差恒定以使全向轮的方位角随时间均匀改变。