CN113050713A - 一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法及系统，通过转向电位计信号和加速器信号控制两个差速驱动轮转速，具体地通过转向电位计信号预设运动轨迹的曲率半径，进而反算两个差速轮的转速比，最后通过加速器信号以及曲率半径算出两个差速轮的具体转速，这种方案相对与传统的方案来说逻辑上更加简单，而且可以用控制单舵轮的手柄简单改造便投入使用，学习成本低。

Description

一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法及系统

技术领域

本发明涉及差速驱动技术领域，具体涉及一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法及系统。

背景技术

差速驱动方式是一种常见的移动驱动方式，这种驱动方式通过对两侧驱动电机的转速差的控制，实现搬运车的直线前进、直线后退、原地左转、原地右转以及行进中转向等行为。目前搬运车在复杂环境中的移动还离不开人的参与。用操纵杆控制搬运车的移动是一种常用的人机交互控制方式。操纵杆(也称为摇杆或控制杆)是一种常见的人机交互设备。操纵杆手柄的操作区相当于一个二维平面，可以输出二维坐标；而地面搬运车相当于在平面上移动，因而操纵杆也常被用于交互控制搬运车的移动。为了用操纵杆控制搬运车，必须建立操纵杆与搬运车之间的映射关系。

用操纵杆控制搬运车的传统方法有两种，各有其优缺点。一种是将操纵杆手柄的偏移量(相对初始的中心位置)作为一个矢量，其方向对应搬运车移动的方向，其偏移量对应搬运车移动的速度；然后由搬运车的控制器将速度矢量按搬运车自身的控制律进行分解，转化成对应驱动电机的转速进行控制。缺点是存在一些奇异位置，并且不能实现转弯半径的无缝变化。另一种是将操纵杆的偏移量(相对初始的中心位置)映射为搬运车当前的位置(或位置增量)，再由搬运车的控制器按预先设定的控制律控制搬运车移动实现位置的变化。传统用操纵杆控制搬运车的映射方法，离不开和搬运车预先设定的控制律相结合，因而在交互控制时总会存在奇异位置或控制时受到局限。

目前常见的电动搬运车都是单舵轮驱动，其手柄控制方案一般都是通过转向电位计信号控制驱动轮的转向角度，同时通过加速器信号控制驱动轮的转速，从而控制车体的运动趋势。而对于双轮差速驱动结构底盘来说，虽然可以通过左右两轮转速控制车体的运动趋势，但左右两轮速与转向电位计信号以及加速器信号的逻辑关系远比单舵轮驱动方案复杂。

发明内容

本发明的发明目的在于提出一种通过转向电位计信号和加速器信号控制两个差速轮转速的控制方案，从而实现可以像单舵轮电动搬运车一样通过操作手柄控制双轮差速驱动搬运车运动的功能。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，包括以下步骤：S1根据车体型号，确定两驱动轮轴线的距离值，确定理论上的虚拟轮的位置及该虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，确定转向信号临界值及虚拟轮的实时转向角的最大值，确定加速信号临界值及两驱动轮平均速度的最大值；S2根据加速器的实时加速信号，结合加速信号临界值和两驱动轮实时平均速度的最大值，得出两驱动轮的实时平均速度；S3根据转向电位计的实时转向信号，结合转向信号临界值及虚拟轮的实时转向角的最大值，得出虚拟轮的实时转向角；S4根据虚拟轮的实时转向角，结合虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，得出实时虚拟运动轨迹的曲率半径；S5根据实时虚拟运动轨迹的曲率半径、虚拟轮的实时转向角和两驱动轮的实时平均速度，结合两驱动轮之间的距离值，得出两驱动轮分别所需的实时转速，并将相应的实时转速信号传递给两驱动轮的驱动器。本方案通过先虚拟出一个在单舵轮模式下需要的虚拟轮,再通过虚拟轮与实际驱动轮之间的位置关系和理论上虚拟轮的角度和状态,算出两实际驱动轮具体情况下需要的转速,具体地,通过转向电位计信号算出预设运动轨迹的曲率半径，然后反算两个差速轮的转速比过加速器信号以及曲率半径反算两个差速轮的具体转速，进而通过转向电位计信号和加速器信号来控制两个差速驱动轮的转速，这种方案相对与现有的方案来说逻辑上更加简单，而且可以用控制单舵轮的手柄简单改造，便可以投入使用，学习成本低。

进一步地，测量加速器的实时加速信号为U_s；转向电位计产生的加速信号临界值为U_smax，两实际驱动轮的实时平均速度为V，计算实时平均速度V时采用的算法式为：

进一步地，转向电位计的实时转向信号为U_a，转向电位计能够产生的实时信号临界值为U_amax，虚拟轮的转向角为α，虚拟轮的实时转向角的最大值为

计算夹角α时采用的算法式为：

进一步地，虚拟运动轨迹的曲率半径为r，虚拟轮到两实际驱动轮轴线的距离为l，计算曲率半径r时采用的算法式为：

进一步地，在任意瞬间，车体上每一点的轨迹都可看作是一段小圆弧，而这些圆弧有一个共同的圆心，即瞬心o，当瞬心o在两轮之外时，两轮的转向相同；当瞬心o在两轮之内时，两轮的转向相反；当瞬心o正好与两轮重合时虚拟轮的转向角大小为|θ|，两实际驱动轮之间的距离为d，则

进一步地，左右两实际驱动轮的转速分别为V_r和V_l，车体的线速度为v，为车体的角速度为ω；当|α|<|θ|时，计算两驱动轮转速时，采用的算法式为：

进一步地，左右两实际驱动轮的转速分别为V_r和V_l，车体的线速度为v，为车体的角速度为ω；当时，当|α|≥|θ|时，计算两驱动轮转速时，采用的算法式为：

一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制系统，包括转向电位计、加速器，实时信号转换器，及用于控制单个驱动轮转速的速度控制器，所述速度控制器执行上述的方法。本方案通过用上述部件执行上述的方法，使电位计和加速器的信号经过速度控制器处理后即可转化为转速信号，并传递给控制单个驱动轮转速的速度控制器，这控制方案简单便宜，相对与复杂的计算方案更有市场竞争力。

有益效果：本方案通过先虚拟出一个在单舵轮模式下需要的虚拟轮,再通过虚拟轮与实际驱动轮之间的位置关系和理论上虚拟轮的角度和状态,算出两实际驱动轮具体情况下需要的转速,具体地,通过转向电位计信号算出预设运动轨迹的曲率半径，然后反算两个差速轮的转速比过加速器信号以及曲率半径反算两个差速轮的具体转速，进而通过转向电位计信号和加速器信号来控制两个差速驱动轮的转速，这种方案相对与现有的方案来说逻辑上更加简单，而且可以用控制单舵轮的手柄简单改造，便可以投入使用，学习成本低。

附图说明

图1是本发明的计算原理推导图。

图2是本发明中电动搬运车俯视说明图。

图3是本发明中电动搬运车主视说明图。

附图标记注释：1-操纵手柄、11-加速器、12-电位计、3-左驱动轮、4-右驱动轮。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明进行详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示位置或者方位关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的机构或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“”仅用于描述目的，而不能理解为指示和暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、的特征可以指明或者隐含地包括一个或者多个所述特征。

实施例1：一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，包括以下步骤：S1根据车体型号，确定两驱动轮轴线的距离值，确定理论上的虚拟轮的位置及该虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，确定转向信号临界值及虚拟轮的实时转向角的最大值，确定加速信号临界值及两驱动轮平均速度的最大值；S2根据加速器的实时加速信号，结合加速信号临界值和两驱动轮实时平均速度的最大值，得出两驱动轮的实时平均速度；S3根据转向电位计的实时转向信号，结合转向信号临界值及虚拟轮的实时转向角的最大值，得出虚拟轮的实时转向角；S4根据虚拟轮的实时转向角，结合虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，得出实时虚拟运动轨迹的曲率半径；S5根据实时虚拟运动轨迹的曲率半径、虚拟轮的实时转向角和两驱动轮的实时平均速度，结合两驱动轮之间的距离值，得出两驱动轮分别所需的实时转速，并将相应的实时转速信号传递给两驱动轮的驱动器。

目前常见的步行式电动搬运车都是单舵轮驱动，其手柄控制方案一般都是通过转向电位计信号控制驱动轮的转向角度，同时通过加速器信号控制驱动轮的转速，从而控制车体的运动趋势。对于双轮差速驱动结构底盘来说，虽然可以通过左右两轮转速控制车体的运动趋势，但左右两轮速与转向电位计信号以及加速器信号的逻辑关系远比单舵轮驱动方案复杂，所以考虑利用现有的单舵轮手柄控制方案进行一定的处理，使用于控制单舵轮驱动搬运车的控制手柄可以安装到双轮差速驱动结构底盘上。具体的方案是：把常见的单舵轮驱动步行式电动搬运车的底盘结构简化为3轮模型：图1中顶部虚线矩形的位置为驱动轮，底部的两个实线矩形的位置分别表示左、右从动轮；双轮差速驱动步行式搬运车底盘结构可以简化为2轮模型：图1中底部两个实线矩形的位置分别表示左、右驱动轮(顶部虚线矩形的位置不存在轮子，但可以假设此处有一虚拟轮，用于预设运动轨迹并反算左右两驱动轮转速)。所述的双轮差速驱动步行式搬运车的结构简图如图2所示，通过操作手柄(加速器和转向电位计)，控制左右两轮的转速，最终控制整个车身的线速度和角速度。

具体的计算式推导方法如下：记两驱动轮之间的距离记为d，虚拟轮与两驱动轮轴线的距离记为l(该值是车体结构尺寸相关的经验值)，α为虚拟舵轮与车身轴线的夹角(即虚拟轮的转向角，与转向电位计信号有对应关系)，V为两轮平均速度(与加速器信号有对应关系)，V_r和V_l分别为左右两轮的转速，r为运动轨迹的曲率半径，v为车体的线速度，ω为车体的角速度。操作手柄时，记其转向电位计信号和加速器信号分别为U_a和U_s，这里的U_a和U_s是电压值，当转向电压U_a的绝对值大小超过某个临界值之后，无轮电压如何变化，为虚拟轮的转向角α不变，记这个临界值为U_amax；当转向电压U_s的绝对值大小超过某个临界值之后，无轮电压如何变化，两轮平均速度V不变；记这个临界值为U_smax。

α与U_a的对应关系为

V与U_s的对应关系为

如图3所示，在任意瞬间，车体上每一点的轨迹都可看作是一段小圆弧，而这些圆弧有一个共同的圆心，即瞬心o(相当于整个车体围绕该点旋转)。由瞬心的特性及相关知识可知，当α为锐角时有

α为直角时，瞬心o与两轮正中心重合，即0时r＝0；当α＝0时，瞬心o不存在，即r无穷大；故当r与α的对应关系为

当瞬心o在两轮之外时，两轮的转向相同；当瞬心o在两轮之内时，两轮的转向相同；当瞬心o正好与两轮重合时，假设此时虚拟轮的转向角大小为θ，则有

即取

当|α|<|θ|时，根据瞬心o的特性以及几何知识可得以下关系式：

经过整理得：

此时

当|α|≥|θ|时，根据瞬心o的特性以及几何知识可得以下关系式：

经过整理得：

此时

当左右驱动轮按照上述计算得出的转速运行时，该车体的运动轨迹将等同于单舵轮驱动步行式电动搬运车的运动轨迹，从而实现像单舵轮电动搬运车一样通过操作手柄控制双轮差速驱动搬运车运动的功能。

实施例2：如图2、图3所示，一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制系统，包括两驱动轮及控制两驱动轮转动的驱动器，控制手柄及设于控制手柄上的转向电位计和加速器，用于计算两实际驱动轮分别所需的实时转速的速度控制器；速度控制器根据车体型号，确定两驱动轮轴线的距离值，确定理论上的虚拟轮的位置及该虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，确定转向信号临界值、加速信号临界值及两驱动轮实时平均速度的最大值；

速度控制器根据加速器传递的实时加速信号，结合加速信号临界值和两驱动轮实时平均速度的最大值，得出两驱动轮的实时平均速度；速度控制器根据转向电位计传递的实时转向信号，结合转向信号临界值，得出虚拟轮的实时转向角；速度控制器根据虚拟轮的实时转向角，结合虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，得出实时虚拟运动轨迹的曲率半径；速度控制器根据实时虚拟运动轨迹的实时曲率半径、虚拟轮的实时转向角和两驱动轮的实时平均速度，结合两驱动轮之间的距离值，得出两驱动轮分别所需的实时转速，并将相应的实时转速信号传递给两驱动轮的驱动器。

在速度控制器中具体计算时，记测量加速器的实时加速信号为U_s,记转向电位计的加速信号临界值为U_smax，记两驱动轮的实时平均速度为V,记两驱动轮的实时平均速度最大值为V_max，记转向电位计的实时转向信号为U_a，记转向电位计的实时信号临界值为U_amax，记虚拟轮的转向角为α，虚拟轮的转向角最大值为

记虚拟运动轨迹的曲率半径为r，记虚拟轮到两驱动轮轴线的距离为l，记两驱动轮之间的距离为d，记左右两驱动轮的转速分别为V_r和V_l；

计算两驱动轮的实时平均速度V时，速度控制器执行的算法式为：

计算虚拟轮的转向角α时，速度控制器执行的算法式为：

计算虚拟运动轨迹的曲率半径r时，速度控制器执行的算法式为：

当瞬心o在两轮之外时，两轮的转向相同，两轮速的解算见6；当瞬心o在两轮之内时，两轮的转向相同，两轮速的解算见7；当瞬心o正好与两轮重合时，假设此时虚拟轮的转向角大小为θ，则有

即取

当|α|<|θ|时，计算两驱动轮的转速时，速度控制器执行的算法式为：

当|α|≥|θ|时，计算两驱动轮的转速时，速度控制器执行的算法式为：

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换。

Claims (8)

1.一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，包括以下步骤：

S1根据车体型号，确定两驱动轮轴线的距离值，确定理论上的虚拟轮的位置及该虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，确定转向信号临界值及虚拟轮的实时转向角的最大值，确定加速信号临界值及两驱动轮平均速度的最大值；

S2根据加速器的实时加速信号，结合加速信号临界值和两驱动轮实时平均速度的最大值，得出两驱动轮的实时平均速度；

S3根据转向电位计的实时转向信号，结合转向信号临界值及虚拟轮的实时转向角的最大值，得出虚拟轮的实时转向角；

S4根据虚拟轮的实时转向角，结合虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值，得出实时虚拟运动轨迹的曲率半径；

S5根据实时虚拟运动轨迹的曲率半径、虚拟轮的实时转向角和两驱动轮的实时平均速度，结合两驱动轮之间的距离值，得出两驱动轮分别所需的实时转速，并将相应的实时转速信号传递给两驱动轮的驱动器。

2.根据权利要求1的一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，其特征在于：记加速器的实时加速信号为U_s，记加速器产生的加速信号临界值为U_smax，记两驱动轮的实时平均速度为V，记两驱动轮平均速度的最大值为V_max，计算实时平均速度V时采用的算法式为：

3.根据权利要求2的一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，其特征在于：记转向电位计的实时转向信号为U_a，记转向电位计产生的转向信号临界值为U_amax，记虚拟轮的实时转向角为α，记虚拟轮的转向角的最大值为

计算虚拟轮的实时转向角α时采用的算法式为：

4.根据权利要求3的一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，其特征在于：记实时虚拟运动轨迹的曲率半径为r，记虚拟轮到两驱动轮轴线的距离值为l，计算实时虚拟运动轨迹的曲率半径r时采用的算法式为：

5.根据权利要求4的一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，其特征在于：在任意瞬间，车体上每一点的轨迹都可看作是一段小圆弧，而这些圆弧有一个共同的圆心，记为瞬心o；当瞬心o在两轮之外时，两轮的转向相同；当瞬心o在两轮之内时，两轮的转向相反；当瞬心o正好与两轮重合时虚拟轮的实时转向角大小为|θ|，记两驱动轮之间的距离值为d，则

6.根据权利要求5的一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，其特征在于：记左右两驱动轮的转速分别为V_r和V_l，记车体的线速度为v，记车体的角速度为ω，当|α|<|θ|时,计算两驱动轮转速时采用的算法式为：

7.根据权利要求5的一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制方法，其特征在于：记左右两驱动轮的转速分别为V_r和V_l，记车体的线速度为v，记车体的角速度为ω,当|α|≥|θ|时,计算两驱动轮转速时采用的算法式为：

8.一种双轮差速驱动电动搬运车的手柄控制系统，其特征在于：包括两驱动轮及控制两驱动轮转动的驱动器，控制手柄及设置在控制手柄上的转向电位计和加速器，根据转向信号和加速信号计算两驱动轮分别所需的实时转速的速度控制器；所述速度控制器执行权利要求1至7中任意一项所述的方法。

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