CN113119059B - 基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，包括以下步骤：S1、获取麦克纳姆轮底盘在x轴、y轴和yaw轴方向上的摇杆偏移量；x轴、y轴和yaw轴分别指代底盘的左右方向、前后方向和自转方向；S2、计算麦克纳姆轮底盘的平移期望速度极大值、自转期望速度极大值和摇杆相对偏移量；S3、设置底盘速度可调比和底盘起步速度阈值；S4、建立等百分比补偿函数，求得底盘平移期望速度和自转期望速度，并分解为底盘在x轴、y轴、yaw轴方向上的期望速度。本发明可以使机器人底盘具有等百分比操纵特性，即摇杆的相对偏移量变化引起的相对底盘速度变化与此点的相对底盘速度成正比，不同速度下都具有相同的调节精度。

Description

基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法。

背景技术

在竞赛机器人和特殊工种机器人中，全向移动经常是一个必需的功能，即机器人底盘可以在保持车体自身姿态不变的情况下，在平面内做出任意方向平移并同时自转的动作，因而移动平台在其运动的平面内具有三个自由度。而如今，麦克纳姆轮底盘已经成为当前市场上使用最多的全向移动轮式机器人底盘，这是由于麦克纳姆轮不仅可以像传统轮子一样，简便地安装在相互平行的轴上，且制造成熟、性能稳定，满足大负载下对于车体刚度的要求。在许多空间有限并且对移动机构机动性要求高的场合，麦克纳姆轮机器人可以在狭小空间内移动并实现高精度定位，灵活的完成指定的任务，大大的扩宽了机器人的应用范围。

基于麦克纳姆轮底盘的特殊工种机器人一般采用线性操纵特性，即相对移动速度与相对控制量成线性关系，当速度小时调节作用太强，易使系统产生振荡；速度大时调节作用又太弱，调节不够灵敏、及时。底盘在全向移动过程中存在较频繁的起步与停车，具有线性操纵特性的麦克纳姆轮底盘在运行时会出现急开、急停现象，操纵不平稳，难于精准控制，且起步电流较大可能导致功率超标。因此，具有线性操纵特性的底盘系统不太适应于此种速度变化较快的场合。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，使麦克纳姆轮底盘在全方位运行时具有等百分比操纵特性，即单位相对摇杆偏移量变化所引起的相对速度变化都与此点的相对速度成正比。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，包括以下步骤：

S1、获取麦克纳姆轮底盘在x轴、y轴和yaw轴方向上的摇杆偏移量；x轴、y轴和 yaw轴分别指代底盘的左右方向、前后方向和自转方向；

S2、计算麦克纳姆轮底盘的平移期望速度极大值、自转期望速度极大值和摇杆相对偏移量；

S3、设置底盘速度可调比和底盘起步速度阈值；

S4、建立等百分比补偿函数，求得底盘平移期望速度和自转期望速度，并分解为底盘在 x轴、y轴、yaw轴方向上的期望速度。

优选地，若摇杆在x轴、y轴方向上偏移量为零，则底盘平移期望速度为零，若摇杆在 yaw轴方向上偏移量为零，则底盘自转期望速度为零。

优选地，步骤S2具体包括：

S201、设摇杆偏移量为l，底盘在x轴、y轴和yaw轴方向上的摇杆偏移量分别为l_x、l_y和l_z，摇杆偏移量极大值为l_max，底盘在x轴、y轴、yaw轴方向上的摇杆偏移量极大值分别为l_xmax、l_ymax和l_zmax；底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的期望速度为v_x、v_y、v_z，对应的期望速度极大值为v_xmax、v_ymax、v_zmax；摇杆偏移矢量与x轴夹角为θ，则底盘平移期望速度极大值v_max计算公式为：

v_max＝v_xmax·secθ

S202、底盘自转期望速度极大值即为底盘在yaw轴方向的期望速度极大值v_zmax；

S203、摇杆相对偏移量为l/l_max，即平移摇杆相对偏移量为l_x/l_xmax或l_y/l_ymax，自转摇杆相对偏移量为l_z/l_zmax。

优选地，底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的期望速度极大值v_xmax、v_ymax、v_zmax由底盘和电机性能决定。

优选地，底盘速度可调比R为底盘系统可控最大速度与最小速度之比，底盘起步速度阈值

为底盘未操纵时的起步期望速度。

优选地，底盘速度可调比R和底盘起步速度阈值

由软件模拟来设定初始值，再经多次实际测试确定合适值。

优选地，当x轴方向摇杆偏移量大于等于y轴方向偏移量时，底盘平移期望速度v_s的等百分比补偿函数具体公式为：

则x轴、y轴方向上的底盘的期望速度计算公式为：

式中，v_max为底盘平移期望速度极大值，v_xmax为底盘在x轴的期望速度极大值，

为底盘起步速度阈值，R为底盘速度可调比，l/l_max为摇杆相对偏移量为，l_x为底盘在x轴方向的摇杆偏移量，l_xmax为底盘在x轴方向的摇杆偏移量极大值，v_x和v_y为底盘在x轴和y轴方向的期望速度，θ为摇杆偏移矢量与x轴夹角。

优选地，当x轴方向摇杆偏移量小于等于y轴方向偏移量时，底盘平移期望速度v_s的等百分比补偿函数具体公式为：

则x轴、y轴方向上的底盘的期望速度计算公式为：

式中，v_max为底盘平移期望速度极大值，v_xmax为底盘在x轴的期望速度极大值，

为底盘起步速度阈值，R为底盘速度可调比，l/l_max为摇杆相对偏移量为，l_y为底盘在y轴方向的摇杆偏移量，l_ymax为底盘在y轴方向的摇杆偏移量极大值，v_x和v_y为底盘在x轴和y轴方向的期望速度，θ为摇杆偏移矢量与y轴夹角。

优选地，yaw轴方向上的底盘期望速度计算公式为：

式中，v_z为底盘在yaw轴方向的期望速度，v_zmax为底盘在yaw轴方向期望速度极大值，

为底盘起步速度阈值，R为底盘速度可调比，l_z为底盘在yaw轴方向上的摇杆偏移量，l_zmax为底盘在yaw轴方向上的摇杆偏移量极大值。

本发明的有益效果为：本发明的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法可以使机器人具有等百分比操纵特性，即摇杆的相对偏移量变化引起的相对底盘速度变化与此点的相对底盘速度成正比，底盘速度相对于摇杆值的放大系数随着相对速度的增加而逐渐增大，不同速度下都具有相同的调节精度。总而言之，具有等百分比操纵特性的全向移动底盘在速度小时操纵平稳缓和，速度大时操纵灵敏有效，适应能力强、便于操控。

附图说明

图1为本发明基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法流程图。

图2为本发明实施例中摇杆偏移量矢量与速度矢量的关系图。

图3为本发明实施例中不同底盘速度可调比R下的等百分比补偿函数曲线图。

图4为本发明实施例中等百分比操纵特性下的某个电机实时变量反馈图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明实施例的底盘包括四个麦克纳姆轮，其中2个左旋轮，2个右旋轮，为最常用的 O-长方形安装方式(O表示的是四个麦克纳姆轮的辊子与地面接触所形成的图形，长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状)，通过四个轮子的速度组合可实现底盘全向运动。

需要说明的是，x轴、y轴和yaw轴所指代的是底盘是左右、前后和自转三个方向，以便于本发明的简化描述。此外，摇杆值则是指对底盘运动产生的控制信号，即x轴方向摇杆值正负对应底盘右左移动、y轴方向摇杆值正负对应底盘前后移动，yaw轴方向摇杆值正负对应底盘顺时针、逆时针自转；摇杆偏移量指摇杆值的绝对值。

设底盘速度可调比为R；底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的期望速度为v_x、v_y、v_z，对应的速度极大值为v_xmax、v_ymax、v_zmax；底盘平移期望速度为v_s，平移期望速度极大值为 v_max；摇杆偏移量为l，在底盘x轴、y轴、yaw轴方向的偏移量为l_x、l_y、l_z，摇杆偏移量极大值为l_max，底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的摇杆偏移量极大值为l_xmax、l_ymax、l_zmax；底盘起步速度阈值为

摇杆偏移量矢量与x轴夹角为θ。

本发明实施例的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘机器人操纵特性优化方法，包括以下步骤：

S1、获取底盘在x轴、y轴和yaw轴方向上的摇杆偏移量(绝对值)；

S2、计算底盘平移、自转的期望速度极大值和摇杆相对偏移量；

S3、设置底盘速度可调比、底盘起步速度阈值；

S4、将各参数带入等百分比补偿函数，求得底盘平移、自转的期望速度，并分解为底盘在x轴、y轴、yaw轴方向上的期望速度。

在步骤S1中，为满足在摇杆在刚产生偏移时底盘期望速度即达到起步速度阈值

且在摇杆不产生偏移时电机能够保持静止，则需满足当摇杆在x轴、y轴方向偏移量为零时，底盘平移期望速度为零，摇杆yaw轴方向偏移量为零时，底盘自转速度为零。

在步骤S2中，底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的期望速度极大值由底盘的设计要求和电机性能决定。底盘的自转速度极大值即为yaw轴方向的速度极大值，平移速度极大值可根据x、y轴的速度极大值求出。如图2所示，底盘在平面内移动时，若某瞬间时刻x轴方向摇杆偏移量大于等于y轴方向偏移量，此时摇杆偏移矢量与x轴夹角θ小于等于45°。

S201、计算底盘在该方向平移速度极大值v_max的具体计算公式为：

v_max＝v_xmax·secθ

其中，

同理当y轴方向摇杆偏移量大于等于x轴方向偏移量，此时摇杆偏移矢量与y轴夹角θ' 小于等于45°，计算此时底盘在该方向平移速度极大值v_max'的具体计算公式为：

v_max'＝v_ymax·secθ'

其中，

故已知底盘x、y轴的速度极大值时，可求出摇杆任意偏移位置时的平移期望速度极大值。

S202、底盘的自转速度极大值即为yaw轴方向的速度极大值v_zmax。

S203、如图2所示，摇杆偏移矢量与x轴夹角θ小于等于45°时，由几何关系有 l＝l_x·secθ、l_max＝l_xmax·secθ，相对摇杆偏移量l/l_max可化简为x轴方向的摇杆相对偏移量l_x/l_xmax。

在步骤S3中，底盘速度可调比、底盘起步速度阈值设置方式如下：

S301、底盘速度可调比R为底盘系统能够控制的最大速度与最小速度之比，是能够反应底盘速度特性的参数。通过软件补偿则可视为无实际意义的普通参数，通过软件模拟和实际测试来确定。通过MATLAB进行函数图像绘制，由图3可推知，当R过大时，速度值在摇杆偏移范围内的分布较为分散，实际操纵中，前期底盘起步时速度变化缓慢，后期高速行驶时速度变化过快；当R过小时，则在实际操纵中等百分比特性不明显。可通过对比不同R 下的理想操纵特性曲线来设定初始值，再由实际测试中底盘的灵敏度和平稳情况来确定合适值。R值设定适当，可使底盘在保证良好等百分比特性的同时，操纵灵敏且速度变化快慢适中。

S302、底盘起步速度阈值

为底盘未操纵时的起步期望速度，即电机在未操纵时就有起步期望转速。通过STM32CubeMonitor软件进行电机的实时变量检测，根据图4可知，当摇杆刚产生偏移时，底盘电机不能立刻响应并产生转速，这是由于底盘负载和自重的存在，起步过程中伺服电机输出功率低于某一阈值时，电机输出转矩无法带动轮子克服摩擦产生转速。若

过小，则电机输出无法克服起步摩擦，改善效果不明显；反之若

过大，则会导致电机输出过大，底盘启动时速度过大，产生抖动，不利于操纵。可由小到大逐步设置

的值，通过在实际操纵中多次测试来得到合适值。

值设定适当，可使底盘在保证良好等百分比特性的同时，底盘启步过程中速度随摇杆偏移产生及时响应的性能显著改善。

步骤S4具体包括：

S401、在x轴方向摇杆偏移量大于等于y轴方向偏移量的条件下，计算此时底盘平移期望速度的等百分比函数具体公式为：

S402、计算x轴、y轴方向上的底盘期望速度具体公式为：

S403、在x轴方向摇杆偏移量小于y轴方向偏移量的条件下，计算此时底盘平移期望速度的等百分比函数具体公式为：

S404、计算x轴、y轴方向上的底盘期望速度具体公式为：

故已知底盘x、y轴的速度极大值时，可求出摇杆任意偏移位置时的平移期望速度极大值。

S405、计算yaw轴方向上的底盘期望速度具体公式为：

将底盘在x、y、yaw轴的期望速度进行麦克纳姆轮的逆运动学解算，得到的各电机期望转速输入伺服电机系统的PID控制器，即可得到优化底盘操纵特性后的电机输出转速。

综上所述，本发明采用的等百分比特性补偿算法，可以使麦克纳姆轮底盘具有良好的等百分比操纵特性，即速度小时操纵平稳缓和，速度大时操纵灵敏有效，避免在全向移动的频繁起步与急停过程中产生过冲引起车身震荡，适应能力强、便于操控。

本领域的技术人员容易理解，以上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)

1.一种基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取麦克纳姆轮底盘在x轴、y轴和yaw轴方向上的摇杆偏移量；x轴、y轴和yaw轴分别指代底盘的左右方向、前后方向和自转方向；

S2、计算麦克纳姆轮底盘的平移期望速度极大值、自转期望速度极大值和摇杆相对偏移量；

S3、设置底盘速度可调比和底盘起步速度阈值；

S4、建立等百分比补偿函数，求得底盘平移期望速度和自转期望速度，并分解为底盘在x轴、y轴、yaw轴方向上的期望速度，具体包括：

①当x轴方向摇杆偏移量大于等于y轴方向偏移量时，底盘平移期望速度v_s的等百分比补偿函数具体公式为：

则x轴、y轴方向上的底盘的期望速度计算公式为：

式中，v_max为底盘平移期望速度极大值，v_xmax为底盘在x轴的期望速度极大值，

为底盘起步速度阈值，R为底盘速度可调比，l/l_max为摇杆相对偏移量为，l_x为底盘在x轴方向的摇杆偏移量，l_y为底盘在y轴方向的摇杆偏移量，l_xmax为底盘在x轴方向的摇杆偏移量极大值，v_x和v_y为底盘在x轴和y轴方向的期望速度，θ为摇杆偏移矢量与x轴夹角；

②当x轴方向摇杆偏移量小于等于y轴方向偏移量时，底盘平移期望速度v_s的等百分比补偿函数具体公式为：

则x轴、y轴方向上的底盘的期望速度计算公式为：

式中，v_max为底盘平移期望速度极大值，v_xmax为底盘在x轴的期望速度极大值，

为底盘起步速度阈值，R为底盘速度可调比，l/l_max为摇杆相对偏移量为，l_x为底盘在x轴方向的摇杆偏移量，l_y为底盘在y轴方向的摇杆偏移量，

为底盘在y轴方向的摇杆偏移量极大值，v_x和v_y为底盘在x轴和y轴方向的期望速度，θ为摇杆偏移矢量与y轴夹角；

③yaw轴方向上的底盘期望速度计算公式为：

式中，v_z为底盘在yaw轴方向的期望速度，v_zmax为底盘在yaw轴方向期望速度极大值，

为底盘起步速度阈值，R为底盘速度可调比，l_z为底盘在yaw轴方向上的摇杆偏移量，l_zmax为底盘在yaw轴方向上的摇杆偏移量极大值。

2.根据权利要求1所述的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，其特征在于，若摇杆在x轴、y轴方向上偏移量为零，则底盘平移期望速度为零，若摇杆在yaw轴方向上偏移量为零，则底盘自转期望速度为零。

3.根据权利要求1所述的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S201、设摇杆偏移量为l，底盘在x轴、y轴和yaw轴方向上的摇杆偏移量分别为l_x、l_y和l_z，摇杆偏移量极大值为l_max，底盘在x轴、y轴、yaw轴方向上的摇杆偏移量极大值分别为l_xmax、

和l_zmax；底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的期望速度为v_x、v_y、v_z，对应的期望速度极大值为v_xmax、v_ymax、v_zmax；摇杆偏移矢量与x轴夹角为θ，则底盘平移期望速度极大值v_max计算公式为：

v_max＝v_xmax·secθ

S202、底盘自转期望速度极大值即为底盘在yaw轴方向的期望速度极大值v_zmax；

S203、摇杆相对偏移量为l/l_max，即平移摇杆相对偏移量为l_x/l_xmax或l_y/l_ymax，自转摇杆相对偏移量为l_z/l_zmax。

4.根据权利要求3所述的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，其特征在于，底盘在x轴、y轴、yaw轴方向的期望速度极大值v_xmax、

v_zmax由底盘和电机性能决定。

5.根据权利要求1所述的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，其特征在于，底盘速度可调比R为底盘可控最大速度与最小速度之比，底盘起步速度阈值

为底盘未操纵时的起步期望速度。

6.根据权利要求5所述的基于等百分比特性的麦克纳姆轮底盘操纵特性优化方法，其特征在于，底盘速度可调比R和底盘起步速度阈值

由软件模拟来设定初始值，再经多次实际测试确定合适值。

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