CN110879621A - 一种应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法，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；从伺服驱动器采集获取任一轮子当前实际转速V_ri；求得旋转速度V_i与当前实际转速V_ri的差值δ_i；对任一轮子的差值δ_i进行PID调节，PID调节的输出作为任一行走伺服电机的转矩T_i；求得行走伺服电机的平均转矩；设置行走伺服系统为转矩闭环模式，并将平均转矩输出到所述行走伺服系统。通过上述方案，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。

Description

一种应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制 方法

技术领域

本发明涉及四转四驱轮式机器人技术领域，尤其是一种应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法。

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，这种理想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应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法，本发明采用的技术方案如下：

一种应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法，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；所述速度闭环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；

从伺服驱动器采集获取任一轮子当前实际转速V_ri；

求得旋转速度V_i与当前实际转速V_ri的差值δ_i；

对任一轮子的差值δ_i进行PID调节，PID调节的输出作为任一行走伺服电机的转矩T_i；

求得行走伺服电机的平均转矩；

设置行走伺服系统为转矩闭环模式，并将平均转矩输出到所述行走伺服系统，以实现闭环控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将四转四驱机器人作为一个整体进行速度闭环控制，使机器人的整体速度与设定一致，而不再试图让每个轮子转速与理想计算值一致，由于输出到四轮行走伺服系统的转矩是一致的，因此四个轮子做功出力相同，从而可以防止出现电机过载现象，同时，结合上层的定位导航算法，仍然能够对机器人进行精确地速度和位置控制；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应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法，其具体包括以下步骤：

首先，按照理想方法，从给定的平动线速度矢量V和旋转角速度ω，计算得出四个轮子的给定的转向角度α_i和旋转速度V_i；此时，转向伺服系统仍然工作在位置闭环模式，但是将行走伺服系统切换为转矩模式，将行走伺服系统的速度闭环从行走伺服驱动器移动到上层算法实现；

然后，将给定的转向角度α_i作为四个轮子转向伺服系统的角度输入；

然后，分别从伺服驱动器获取四个轮子当前实际转速V_ri；即V_r1、V_r2、V_r3和V_r4；

然后，分别求给定转速V_i与实际转速V_ri的差值δ_i；

对每个δ_i分别进行PID调节，PID调节的输出作为每个行走伺服电机的转矩T_i；即T₁、T₂、T₃和T₄；

最后，求取四轮的行走伺服系统平均转矩T_m：

并将平均转矩T_m同时输出到四个行走伺服系统作为给定转矩。

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)

1.一种应用于四转四驱轮式机器人的平衡转矩的速度闭环控制方法，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，速度闭环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；

从伺服驱动器采集获取任一轮子当前实际转速V_ri；

求得旋转速度V_i与当前实际转速V_ri的差值δ_i；

对任一轮子的差值δ_i进行PID调节，PID调节的输出作为任一行走伺服电机的转矩T_i；

求得行走伺服电机的平均转矩；

设置行走伺服系统为转矩闭环模式，并将平均转矩输出到所述行走伺服系统，以实现闭环控制。

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