CN110865663B - 一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法，包括以下步骤：根据给定的平动线速度矢量V和旋转角速度ω，计算出任一轮子的给定的转向角度α_i和旋转速度V_i；一一对应将转向角度α_i作为四个轮子转向伺服系统的角度输入；获取当前任一行走伺服电机的电流有效值；求得四个轮子的行走伺服电机输出的功率的平均值；求得行走伺服电机输出的功率的平均值与任一轮子的行走伺服电机输出的功率的差值δ_pi；并对功率的差值δ_pi进行PID调节，PID调节输出作为转速的补偿调整值s_vi；计算转速的补偿调整值s_vi的标幺值；以转速的补偿调整值s_vi的标幺值s'_vi作为任一行走伺服电机给定速度V_i的调整系数，求得最终的给定速度V_i'。

Description

一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡 控制方法

技术领域

本发明涉及四转四驱轮式机器人技术领域，尤其是一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法。

背景技术

四转四驱轮式机器人，是一种灵活的新式机器人小车，其具有四个轮子，但是与普通四轮小车不一样的是它每个轮子都具有两个独立的自由度，即每个轮子都具有两套独立的伺服驱动系统，一套负责驱动轮子旋转，另一套则负责带动轮子转向，可以分别称为行走伺服系统和转向伺服系统。

由于每个轮子都可以独立转向，因此，四转四驱机器人具有很高的移动灵活性，可以轻松完成原地转向、横向、斜向平移等普通四轮小车无法做到的运动。为了对这种机器人进行精确的位置和速度控制，需要实现机器人整体的速度闭环控制，理想的控制算法如下：

如图1所示，将机器人作为一个整体来看，它在二维平面上的运动包含两个给定量，分别是平动线速度矢量V和旋转角速度ω，通过这两个给定量，结合平台本身的机械尺寸，就可以计算四个轮子的转向角度及旋转速度。然后分别输出转向角度到每个轮子的转向伺服系统，输出旋转速度到每个轮子的行走伺服系统，即可实现给定的运动。此时转向伺服系统工作在位置闭环模式，而行走伺服系统工作在速度闭环模式。

其具体计算方法如下：

点O为机器人的几何中心，O₁、O₂、O₃、O₄分别是四个轮子的轴心在平面的投影。以O点为原点，车体正前方为y轴正方向，车体右侧为x轴正方向建立直角坐标系。

设当前给定整车线速度矢量为V，旋转角速度为ω，那么可以根据速度矢量合成分别计算出四个轮子的线速度矢量V_i，以右上角的2号轮子为例，其轴心投影为O₂，平动线速度矢量为V，旋转角速度ω在O₂点产生的线速度矢量设为Vω₂，则Vω₂的方向垂直于线段OO₂，设线段OO₂的长度为L，则

其中a是机器人的轮距，b是机器人的轴距。

Vω₂的模|Vω₂|＝ω·L即为旋转角速度ω在O₂点产生的线速度大小。

计算平动速度矢量V与旋转产生的线速度矢量Vω₂的矢量和即得到2号轮子的线速度矢量V₂。V₂与y轴夹角设为α₂，V₂的模为|V₂|，则α₂是2号轮转向伺服系统的转向角度输入，2号轮行走伺服系统的速度输入的大小为|V₂|，其正负由矢量V₂的方向决定。同理，可以分别计算出1、3、4号轮的转向角度和行走速度。

但是，上述算法完全是基于理想情况，认为机器人的四个轮子绝对对称，并且安装位置、机械状态完全一致，在实际应用时，由于加工精度有限，每个轮子的安装位置都具有偏差，轮子转动角度与设定值存在误差，轮子周径也不可能完全相同，机器人四轮独立驱动，不存在差速器，因此无法向电动汽车一样通过差速器来弥补偏差，实际移动过程中，四个轮子需要达到的实际转速与理论计算值存在一定的偏差，导致几乎所有轮子都不能转动到设定速度，即使这个偏差不大的情况下，强制用速度闭环去迫使轮子运转到理论计算值也会导致严重后果，四个电机的转矩和功率严重不平衡，有的电机不但未出力，反而阻碍平台运动，另外的电机则超负荷工作，出现在电机过载停机等问题，严重时甚至会烧毁驱动器或电机，因此，这种传统的控制方法并不能适用于四转四驱轮式机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法，本发明采用的技术方案如下：

一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法，所述四转四驱轮式机器人的任一轮子采用独立的行走伺服系统和转向伺服系统驱动，所述行走伺服系统内设置有伺服驱动器和行走伺服电机，且所述伺服驱动器与行走伺服电机电连接并驱动行走伺服电机旋转，所述速度补偿转矩平衡控制方法包括以下步骤：

根据给定的平动线速度矢量V和旋转角速度ω，计算出任一轮子的给定的转向角度α_i和旋转速度V_i；所述i取值为1，2，3，4；

一一对应将转向角度α_i作为四个轮子转向伺服系统的角度输入；

分别从四个行走伺服系统中获取当前任一行走伺服电机的电流有效值I_i；

判断任一行走伺服电机的电流有效值I_i与该行走伺服电机的给定旋转速度V_i的方向；

若该行走伺服电机的电流有效值I_i与旋转速度V_i的正负符号相同，则该行走伺服电机输出正功，其输出的功率为：P_i＝|UI_i|；

否则，该行走伺服电机输出负功，其输出的功率为：P_i＝-|UI_i|；

求得四个轮子的行走伺服电机输出的功率的平均值，其表达式为：

求得行走伺服电机输出的功率的平均值与任一轮子的行走伺服电机输出的功率的差值δ_pi；并对所述功率的差值δ_pi进行PID调节，得到经PID调节后的转速的补偿调整值s_vi；

计算转速的补偿调整值s_vi的标幺值，其表达式为：

以转速的补偿调整值s_vi的标幺值s'_vi作为任一行走伺服电机给定速度V_i的调整系数，求得最终的给定速度V_i'，其表达式为：

V_i'＝s'_vi·V_i

将最终的给定速度V_i'分别给定至四轮行走伺服系统作为转速输入，以完成对四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用四轮实际功率反馈来对四轮转速设定值进行微调，以达到平衡四轮功率，使四轮做功趋于一致的目的。当且仅当，某个行走伺服电机输出功率大于平均功率时，说明其转速过快，拖着别的电机跑，那么调节其给定转速，让转速适当降低，其功率也会下降；当某个行走伺服电机输出功率小于平均功率，甚至为负值时，说明其转速太慢，出力不够，此时调节其给定转速，让转速适当增大，以增大其输出功率。综上所述，本发明具有控制简便、逻辑简单等优点，在四转四驱轮式机器人技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的理论计算示意图。

图2为本发明的闭环控制流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图2所示，本实施例提供了一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法，其具体包括以下步骤：

第一步，根据给定的平动线速度矢量V和旋转角速度ω，计算出任一轮子的给定的转向角度α_i和旋转速度V_i；所述i取值为1，2，3，4；其中，转向伺服系统工作在位置闭环模式，行走伺服系统工作在速度闭环模式，行走速度闭环直接在行走电机驱动器上实现。

第二步，一一对应将转向角度α_i作为四个轮子转向伺服系统的角度输入。

第三步，分别从四个行走伺服系统中获取当前任一行走伺服电机的电流有效值I_i；需要说明的是，对行走伺服系统来说，它是直流输入的永磁同步伺服系统，由于输入电压不变，电机转矩、电流、功率三者成正比，仅仅相差一个乘法系数，因此这里读取电流统一代表转矩及功率。

第四步，判断任一行走伺服电机的电流有效值I_i与该行走伺服电机的旋转速度V_i的方向(以正负表示)；

(1)若该行走伺服电机的电流有效值I_i与旋转速度V_i的正负符号相同，说明该电机做了正功，则该行走伺服电机输出的功率为：P_i＝|UI_i|；

(2)否则，该行走伺服电机输出负功，其输出功率为：P_i＝-|UI_i|；

第五步，求得四个轮子的行走伺服电机输出的功率的平均值，其表达式为：

第六步，求得行走伺服电机输出的功率的平均值与任一轮子的行走伺服电机输出的功率的差值δ_pi；并对所述功率的差值δ_pi进行PID调节，得到经PID调节后的转速的补偿调整值s_vi；

第七步，以转速的补偿调整值s_vi的平均值为基准计算标幺值，计算转速的补偿调整值s_vi的标幺值，其表达式为：

第八步，以转速的补偿调整值s_vi的标幺值s'_vi作为任一行走伺服电机给定速度V_i的调整系数，求得最终的给定速度V_i'，其表达式为：

V_i'＝s'_vi·V_i

第九步，将最终的给定速度V_i'分别给定至四轮行走伺服系统作为转速输入，以完成对四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种新型的应用于四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡控制方法，所述四转四驱轮式机器人的任一轮子采用独立的行走伺服系统和转向伺服系统驱动，所述行走伺服系统内设置有伺服驱动器和行走伺服电机，且所述伺服驱动器与行走伺服电机电连接并驱动行走伺服电机旋转，其特征在于，速度补偿转矩平衡控制方法包括以下步骤：

根据给定的平动线速度矢量V和旋转角速度ω，计算出任一轮子的给定的转向角度α_i和旋转速度V_i；所述i取值为1，2，3，4；

一一对应将转向角度α_i作为四个轮子转向伺服系统的角度输入；

分别从四个行走伺服系统中获取当前任一行走伺服电机的电流有效值I_i；

判断任一行走伺服电机的电流有效值I_i与该行走伺服电机的给定旋转速度V_i的方向；

若该行走伺服电机的电流有效值I_i与旋转速度V_i的正负符号相同，则该行走伺服电机输出正功，其输出的功率为：P_i＝|UI_i|；

否则，该行走伺服电机输出负功，其输出的功率为：P_i＝-|UI_i|；

求得四个轮子的行走伺服电机输出的功率的平均值，其表达式为：

求得行走伺服电机输出的功率的平均值与任一轮子的行走伺服电机输出的功率的差值δ_pi；并对所述功率的差值δ_pi进行PID调节，得到经PID调节后的转速的补偿调整值s_vi；

计算转速的补偿调整值s_vi的标幺值，其表达式为：

以转速的补偿调整值s_vi的标幺值s'_vi作为任一行走伺服电机给定速度V_i的调整系数，求得最终的给定速度V'_i，其表达式为：

V'_i＝s'_vi·V_i

将最终的给定速度V'_i分别给定至四轮行走伺服系统作为转速输入，以完成对四转四驱轮式机器人的速度补偿转矩平衡。

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