CN110435440A - 一种基于全向轮的直线运动控制方法 - Google Patents

一种基于全向轮的直线运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于全向轮的直线运动控制方法涉及的是一种控制车辆保持直线运动的方法，可用于车体在平整地面无任何标识和不借助外源定位的情况下进行直线运动控制。一种基于全向轮的直线运动控制方法为：全向轮母轮的轮轴方向与车体运动方向平行，全向轮母轮的轮轴通过轴承固定在支架上，全向轮母轮的轮轴通过同轴方式或者齿轮、皮带等方式将其转动传送至固定在支架上的编码器或电位器等角位移传感器的输入轴，支架通过弹簧减震器连接于车体上，当车体在直线运动未发现侧向偏离，全向轮母轮上仅子滚轮转动；当发现侧向偏离时，全向轮母轮发生转动，继而带动角位移传感器的输入轴转动，角位移传感器实时采集角位移变化值，计算出侧向偏移量。

Description

一种基于全向轮的直线运动控制方法
技术领域
本发明一种基于全向轮的直线运动控制方法涉及的是一种控制车辆保持直线运动的方法，可用于车体在平整地面无任何标识和不借助外源定位的情况下进行直线运动控制。
背景技术
靶场中运动靶标车体在做直线冲撞动作时，车体结构的对称性不能解决各个靶道的车体在冲撞的往复运动中积累误差快速扩大的问题，必须引入定位和控制才能解决。通常需要在运动场地的地面或途径位置附近做标识用以车体识别直线路径。这种寻迹方法需要事先布置或制作地面标识或安装定位装置，且如需在其它地方做直线运动时，则需重新布置，比较麻烦，且长时间使用后标识物极易出现污损影响直线寻迹。而采用外源定位设备，例如室内UWB定位系统，则需要花费较大的成本和工程安装费用。
所以需要提供一种新的直线控制方法来满足靶场的使用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上直线运动需要事先在地面布置、制作标志或配备安装额外的定位系统的缺陷，提出一种直线运动控制方法，该技术有不需布设路面标识或定向装置，且方便快速更换寻迹方向和地点，通过本发明能够实时获取车体在直线运动过程中的偏移量，控制使用这些测得的偏移量通过位置闭环控制和左右侧速度调节，实现车体的直线运动；且不用担心路面标识物长时间使用发生污损的优点，具有良好的使用和推广效果。
一种基于全向轮的直线运动控制方法为：全向轮母轮的轮轴方向与车体运动方向平行，全向轮母轮的轮轴通过轴承固定在支架上，全向轮母轮的轮轴通过同轴方式或者齿轮、皮带等方式将其转动传送至固定在支架上的编码器或电位器等角位移传感器的输入轴，支架通过弹簧减震器连接于车体上，当车体在直线运动未发现侧向偏离，全向轮母轮上仅子滚轮转动；当发现侧向偏离时，全向轮母轮发生转动，继而带动角位移传感器的输入轴转动，角位移传感器实时采集角位移变化值，计算出侧向偏移量：
（公式1）
其中，为比例系数，为角度位移传感器测得的支架旋转轴的旋转角位移。同时获取车体前后端的侧向偏移量，即计算出车体相对于初始朝向直线的航向偏差和侧向位移偏差：
（公式2）
（公式3）
其中，为前端测量得到偏移误差，为后端测量得到的偏移误差，为该装置安装的前后距离。将此两种偏差在控制器中做位置控制闭环得到车体角速度控制量：
（公式4）
其中，分别为位移控制比例、微分系数和航向控制比例、微分系数，和分别为位移误差变化量和航向误差变化量。根据该车体角速度控制量计算车体左右侧控制目标速度和：
（公式5）
其中为车体的运动目标速度，为控制幅度比例系数。将左、右轮的目标速度分别用于控制左、右侧电机按该目标速度行驶，则车体在运动过程中动态调整自身姿态，可实现航向、侧向距离误差控制和直线运动。
一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆为：车体的两侧设置有车轮，在车体下方的中轴线上设置有测向装置；车体在运动过程中通过测向装置动态调整车体的运动方向保持直线。
所述的测向装置为两个，分别安装在车体的前端和后端。
测向装置具有支架，在支架的下方安装有能够转动的全向轮母轮，全向轮母轮在初始状态时与车体上的车轮垂直；全向轮配套安装有角位移传感器；所述的全向轮母轮外缘具有多个等尺寸且围绕全向轮圆形等距排列的子滚轮；子滚轮能够在车体的带动下进行滚动；在车体为直线运动时，仅仅全向轮母轮上与地面接触的子滚轮转动，在发生偏航时，全向轮母轮参与转动并带动角位移传感器动作。
所述的子滚轮为两端齐平的枣核状，子滚轮轴向剖面外缘的弧度等同于全向轮母轮外缘的弧度（全向轮母轮等半径的圆的圆弧）；所有子滚轮组合在一起能够有效减小全向轮母轮2在滚动过程中的阻力，减小滚动颠簸。
所述的子滚轮具有两组，两组子滚轮交错排列，所有子滚轮的外缘能够拼接出一个完整的圆形，用以进一步有效减小全向轮母轮在滚动过程中的阻力，减小滚动颠簸。
所述的子滚轮的数量为一组不少于3个，优选为8个。
角位移传感器同轴安装在全向轮母轮的侧面，或者通过齿轮、皮带进行动力连接。
所述的角位移传感器为编码器或电位器。
支架通过弹簧减震器与车体的下部连接；弹簧减震器分别位于支架的边角处，弹簧减震器为市售。
本发明的有益效果是：该技术不需布设路面标识或安装直线引导、定向、定位装置，且方便快速更换直线运动方向和地点，且不用担心路面标识物长时间使用发生污损的情况。
附图说明
图1为本发明使用的全向轮的结构示意图。
图2为本发明装置的结构设计示意图。
图3为本发明装置的典型应用示意图。
图4为本发明控制算法中相关变量的示意图。
图5为本发明中车体的仰视状态结构示意图。
其中：1-子滚轮，2-全向轮母轮，3-支架，4-角位移传感器，5-弹簧减震器，6-车体，7-左侧车轮，8-右侧车轮，9-前端测向装置，10-后端测向装置，11-车体前进方向，12-直线运动方向，13-前端侧偏量，14-后端侧偏量，15-车体航向偏差，16-车体侧向距离偏差。
具体实施方式
参照附图1-5，下面对本发明做进一步的详细说明。
一种基于全向轮的直线运动控制方法为：全向轮母轮2的轮轴方向与车体6运动方向平行，全向轮母轮2的轮轴通过轴承固定在支架3上，全向轮母轮2的轮轴通过同轴方式或者齿轮、皮带等方式将其转动传送至固定在支架上的编码器或电位器等角位移传感器4的输入轴，支架3通过弹簧减震器5连接于车体6上，当车体6在直线运动未发现侧向偏离，全向轮母轮2上仅子滚轮1转动；当发现侧向偏离时，全向轮母轮2发生转动，继而带动角位移传感器4的输入轴转动，角位移传感器4实时采集角位移变化值，计算出侧向偏移量：
（公式1）
其中，为比例系数，为角度位移传感器4测得的支架3旋转轴的旋转角位移。同时获取车体6前后端的侧向偏移量，即计算出车体6相对于初始朝向直线的航向偏差和侧向位移偏差：
（公式2）
（公式3）
其中，为前端测量得到偏移误差，为后端测量得到的偏移误差，为该装置安装的前后距离。将此两种偏差在控制器中做位置控制闭环得到车体角速度控制量：
（公式4）
其中，分别为位移控制比例、微分系数和航向控制比例、微分系数，和分别为位移误差变化量和航向误差变化量。根据该车体6角速度控制量计算车体6左右侧控制目标速度和：
（公式5）
其中为车体6的运动目标速度，为控制幅度比例系数。将左、右轮的目标速度分别用于控制左、右侧电机按该目标速度行驶，则车体6在运动过程中动态调整自身姿态，可实现航向、侧向距离误差控制和直线运动。
一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆为：车体6的两侧分别设置有左侧车轮7和右侧车轮8，在车体6下方的中轴线上设置有测向装置；车体在运动过程中通过测向装置动态调整车体的运动方向保持直线。
所述的测向装置为两个，分别为安装在车体前端的前端侧向装置9和后端侧向装置10。
测向装置具有支架3，在支架3的下方安装有能够转动的全向轮母轮2，全向轮母轮2在初始状态时与车体6上的车轮垂直；全向轮母轮2配套安装有角位移传感器4；所述的全向轮母轮2外缘具有多个等尺寸且围绕全向轮圆形等距排列的子滚轮1；子滚轮1能够在车体6的带动下进行滚动；在车体6为直线运动时，仅仅全向轮母轮2上与地面接触的子滚轮1转动，在发生偏航时，全向轮母轮2参与转动并带动角位移传感器4动作。
所述的子滚轮1为两端齐平的枣核状，子滚轮1轴向剖面外缘的弧度等同于全向轮母轮2外缘的弧度（全向轮母轮2等半径的圆的圆弧）；所有子滚轮1组合在一起能够有效减小全向轮母轮2在滚动过程中的阻力，减小滚动颠簸。
所述的子滚轮1具有两组，两组子滚轮1交错排列，所有子滚轮1的外缘能够拼接出一个完整的圆形，用以进一步有效减小全向轮母轮2在滚动过程中的阻力，减小滚动颠簸。
所述的子滚轮1的数量为一组8个。
角位移传感器4同轴安装在全向轮母轮2的侧面，或者通过齿轮、皮带进行动力连接。
所述的角位移传感器4为编码器或电位器。
支架3通过弹簧减震器5与车体6的下部连接；弹簧减震器5分别位于支架3的四个边角处，弹簧减震器5为市售。
实施例
请参阅图1所示，本发明的一种基于全向轮的直线运动控制方法，全向轮包括子轮1和母轮2。
请参与图2所示，本发明的一种基于全向轮的直线运动控制方法，全向轮母轮2安装于支架3上，其轮轴方向与车体6的运动方向平行，编码器或电位器等类似的角位移测量器件或角位移传感器4也安装于支架3上，全向轮母轮2的轮轴与角位移传感器4的输入轴同轴连接，或通过齿轮、皮带等方式连接，支架3通过弹簧减震器5与车体6连接，并保证全向轮子轮1时刻与地面保持紧密接触。
请参阅图3所示，本发明的一种基于全向轮的直线运动控制方法，以上如图2所示的测向装置有两个：前部测向装置9和后部测向装置10分别安装于车体6的前、后端，安装时均使全向轮母轮2的轮轴与车体6的运动朝向11平行。当车体6沿着直线12开始运动时，前端测向装置9和后端测向装置10可以分别实时获得两者的角位移量，并根据公式（1）计算分别获得前端侧偏量13和后端侧偏量14，根据公式（2）和公式（3）得到车体6相对于初始朝向直线11的车体航向偏差14和车体侧向距离偏差16，再根据公式（4）得到此时控制车体6在初始朝向直线11上直线运动的角速度控制量，最后根据公式（5）得到车体6左侧车轮7和右侧车辆8的目标控制速度。将此值作为左、右两侧电机驱动器的目标速度进行控制，即可实时调整车体姿态，实现直线运动。

Claims (10)

1.一种基于全向轮的直线运动控制方法，其特征在于：车体向前运动，当车体在直线运动未发现侧向偏离，全向轮上仅子滚轮转动；当发现侧向偏离时，全向轮发生转动，继而带动角位移传感器的输入轴转动，角位移传感器实时采集角位移变化值，计算出侧向偏移量：
（1）
其中，为比例系数，为角度位移传感器测得的支架旋转轴的旋转角位移；
同时获取车体前后端的侧向偏移量，即计算出车体相对于初始朝向直线的航向偏差和侧向位移偏差：
（2）
（3）
其中，为前端测量得到偏移误差，为后端测量得到的偏移误差，为该装置安装的前后距离；
将此两种偏差在控制器中做位置控制闭环得到车体角速度控制量：
（4）
其中，分别为位移控制比例、微分系数和航向控制比例、微分系数，和分别为位移误差变化量和航向误差变化量；
根据该车体角速度控制量计算车体左右侧控制目标速度和：
（5）
其中为车体的运动目标速度，为控制幅度比例系数；
将左、右轮的目标速度分别用于控制左、右侧电机按该目标速度行驶，则车体在运动过程中动态调整自身姿态，可实现航向、侧向距离误差控制和直线运动。
2.一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：车体的两侧设置有车轮，在车体下方的中轴线上设置有测向装置；车体在运动过程中通过测向装置动态调整车体的运动方向保持直线。
3.根据权利要求2所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：所述的测向装置为两个，分别安装在车体的前端和后端。
4.根据权利要求2所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：测向装置具有支架，在支架的下方安装有能够转动的全向轮母轮，全向轮母轮在初始状态时与车体上的车轮垂直；全向轮配套安装有角位移传感器；所述的全向轮母轮外缘具有多个等尺寸且围绕全向轮圆形等距排列的子滚轮；子滚轮能够在车体的带动下进行滚动；在车体为直线运动时，仅仅全向轮母轮上与地面接触的子滚轮转动，在发生偏航时，全向轮母轮参与转动并带动角位移传感器动作。
5.根据权利要求4所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：所述的子滚轮为两端齐平的枣核状，子滚轮轴向剖面外缘的弧度等同于全向轮母轮外缘的弧度。
6.根据权利要求4所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：所述的子滚轮具有两组，两组子滚轮交错排列，所有子滚轮的外缘能够拼接出一个完整的圆形。
7.根据权利要求4所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：所述的子滚轮的数量为一组不少于3个。
8.根据权利要求4所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：角位移传感器同轴安装在全向轮母轮的侧面，或者通过齿轮、皮带进行动力连接。
9.根据权利要求2所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：所述的角位移传感器为编码器或电位器。
10.根据权利要求4所述的一种基于全向轮的直线运动控制方法所利用的车辆，其特征在于：支架通过弹簧减震器与车体的下部连接；弹簧减震器分别位于支架的边角处。
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