本發(fā)明屬于巡檢機器人運動控制技術領域，尤其涉及一種四輪麥克納姆輪巡檢機器人運動控制方法。

背景技術：

移動式機器人與固定基座的機器人相比，具有更大、更靈活的工作空間，但同時輪式運動引入了非完整約束。作為一類典型的非完整系統(tǒng)，移動機器人的鎮(zhèn)定和跟蹤問題引起了人們的廣泛關注。對非完整約束移動機器人的控制策略的研究成為機器人研究的一個熱點。從90年代末期尤其是2000年以后，許多研究者開始關注這一問題，并致力于不確定非完整系統(tǒng)的控制研究。相關工作的重點主要是解決系統(tǒng)的模型不確定性、外界干擾以及信號的噪聲污染、輸入受限、轉彎半徑受限等實際問題，進行相關的魯棒和自適應控制以及濾波器的設計。研究不確定非完整系統(tǒng)鎮(zhèn)定和跟蹤問題的文獻的多樣性，主要是因為對不確定性或干擾采用了不同的模型，以及使用了不同的處理方法以取得魯棒性或適應性。對不確定非完整動力學系統(tǒng)進行設計的主要方法有自適應控制、魯棒控制、魯棒自適應控制、智能控制等。

輪式移動機器人是一個具有大延遲、高度非線性的復雜系統(tǒng)”。建立精確的數(shù)學模型十分困難，在進行航向跟蹤控制時。參數(shù)的變化對系統(tǒng)模型的影響較大，其中縱向速度的影響最為明顯。輪式移動機器人的一般的控制方法是把期望的航向與機器人的實測航向之間的誤差作為控制器的輸入偏差。輪式移動機器人的航向與其縱向速度、橫向速度、前輪的偏角、機器人繞其重心的轉動慣量、重心的位置、前后輪的側偏系數(shù)以及實際的道路情況等諸多因素都有關，因此，對輪式機器人建立動力學模型是比較困難的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是：為了解決現(xiàn)有技術中存在的以上問題，本發(fā)明提出了一種四輪麥克納姆輪巡檢機器人運動控制方法。

本發(fā)明的技術方案是：一種四輪麥克納姆輪巡檢機器人運動控制方法，包括以下步驟：

A、將巡檢機器人在平面內(nèi)的運動分解為X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉三個獨立分量；

B、計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度；

C、將步驟B中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度分解為沿輥子方向的平行速度和垂直于輥子方向的垂直速度，計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度；

D、根據(jù)步驟C中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度；

E、根據(jù)步驟D中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度控制巡檢機器人在平面內(nèi)運動。

進一步地，所述步驟B計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度的計算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的軸心速度矢量，為巡檢機器人的幾何中心速度矢量，為yaw軸自轉的角速度，為從巡檢機器人的幾何中心指向麥克納姆輪的軸心的矢量。

進一步地，所述步驟C中計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度的計算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的平行速度矢量，v_x為麥克納姆輪的軸心速度在X軸方向的速度分量，v_y為麥克納姆輪的軸心速度在Y軸方向的速度分量。

進一步地，所述步驟D中計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度的計算公式具體為：

其中，v_ω為麥克納姆輪的轉動速度。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過將巡檢機器人的運動分解為三個獨立分量，計算出巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度，從而計算出巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度；通過X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉三個獨立分量的運動結合，可以讓巡檢機器人在平面上完成任意方向的運動，而無需讓巡檢機器人繞某一圓心旋轉，從而有效的提高了巡檢機器人運動效率，使得巡檢機器人能在更小的空間完成就地轉向、橫向移動和按照一定角度斜線運動，避免了普通橡膠輪胎運動的不足。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的四輪麥克納姆輪巡檢機器人運動控制方法流程示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中巡檢機器人的運動分解示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例中巡檢機器人的麥克納姆輪軸心速度示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例中巡檢機器人的四個麥克納姆輪軸心速度示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例中巡檢機器人的麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。

圖6是本發(fā)明實施例中巡檢機器人的四個麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，為本發(fā)明的四輪麥克納姆輪巡檢機器人運動控制方法流程示意圖。一種四輪麥克納姆輪巡檢機器人運動控制方法，包括以下步驟：

A、將巡檢機器人在平面內(nèi)的運動分解為X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉三個獨立分量；

B、計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度；

C、將步驟B中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度分解為沿輥子方向的平行速度和垂直于輥子方向的垂直速度，計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度；

D、根據(jù)步驟C中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度；

E、根據(jù)步驟D中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度控制巡檢機器人在平面內(nèi)運動。

在步驟A中，本發(fā)明的巡檢機器人的各個麥克納姆輪由兩大部分組成：輪轂和輥子(roller)。輪轂是整個輪子的主體支架，輥子則是安裝在輪轂上的鼓狀物。麥克納姆輪的輪轂軸與輥子轉軸呈45°角。如圖2所示，為本發(fā)明實施例中巡檢機器人的運動分解示意圖。本發(fā)明將巡檢機器人在巡檢平面內(nèi)的運動分解為三個獨立分量，分別為：X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉。本發(fā)明的巡檢機器人的四個麥克納姆輪的速度也是由四個獨立的電機提供的。所以四個麥克納姆輪的合理速度是存在某種約束關系的，逆運動學可以得到唯一解，而正運動學中不符合這個約束關系的方程將無解。

在步驟B中，如圖3所示，為本發(fā)明實施例中巡檢機器人的麥克納姆輪軸心速度示意圖。本發(fā)明計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度的計算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的軸心速度矢量，為巡檢機器人的幾何中心速度矢量，為yaw軸自轉的角速度，為從巡檢機器人的幾何中心指向麥克納姆輪的軸心的矢量。

再將麥克納姆輪的軸心速度矢量分別沿X軸方向和Y軸方向進行分解，計算麥克納姆輪的軸心速度矢量分別沿X軸方向和Y軸方向的分量，表示為：

其中，v_x為麥克納姆輪的軸心速度在X軸方向的速度分量，v_y為麥克納姆輪的軸心速度在Y軸方向的速度分量，為巡檢機器人沿X軸方向的速度，為巡檢機器人沿Y軸方向的速度，r_x為沿X軸方向的分量，r_y為沿X軸方向的分量。

如圖4所示，為本發(fā)明實施例中巡檢機器人的四個麥克納姆輪軸心速度示意圖。根據(jù)上述計算方法即可得到巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度。

在步驟C中，如圖5所示，為本發(fā)明實施例中巡檢機器人的麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。本發(fā)明將步驟B中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度分解為沿輥子方向的平行速度和垂直于輥子方向的垂直速度，由于垂直于輥子方向的垂直速度對于巡檢機器人的運動不會產(chǎn)生影響，因此本發(fā)明只需計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度，計算公式具體為：

其中，為麥克納姆輪的平行速度矢量，v_x為麥克納姆輪的軸心速度在X軸方向的速度分量，v_y為麥克納姆輪的軸心速度在Y軸方向的速度分量。

在步驟D中，本發(fā)明根據(jù)步驟C中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的平行速度計算巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度，計算公式具體為：

其中，v_ω為麥克納姆輪的轉動速度。

如圖6所示，為本發(fā)明實施例中巡檢機器人的四個麥克納姆輪軸心速度分解示意圖。其中，a為X軸方向上巡檢機器人的幾何中心至麥克納姆輪的軸心的距離，b為Y軸方向上巡檢機器人的幾何中心至麥克納姆輪的軸心的距離。根據(jù)a和b的關系，得到麥克納姆輪的軸心速度矢量分別沿X軸方向和Y軸方向的分量，表示為：

從而根據(jù)巡檢機器人的運動狀態(tài)得到巡檢機器人的四個麥克納姆輪的轉動速度，表示為：

其中，為巡檢機器人的麥克納姆輪1的轉動速度，為巡檢機器人的麥克納姆輪2的轉動速度，為巡檢機器人的麥克納姆輪3的轉動速度，為巡檢機器人的麥克納姆輪4的轉動速度。

本發(fā)明中全向移動巡檢機器人是一個純線性系統(tǒng)，而剛體運動又可以線性分解為三個分量，因此只需要計算出麥克納姆輪巡檢機器人在沿X軸平移、沿Y軸平移、繞幾何中心自轉時，四個麥克納姆輪的速度，就可以通過加法，計算出這三種簡單運動所合成的平動+旋轉運動時所需要的四個輪子的轉速。

當巡檢機器人沿著X軸平移時，巡檢機器人的四個麥克納姆輪的轉動速度，表示為：

當巡檢機器人沿著Y軸平移時，巡檢機器人的四個麥克納姆輪的轉動速度，表示為：

當巡檢機器人繞幾何中心自轉時，巡檢機器人的四個麥克納姆輪的轉動速度，表示為：

在步驟E中，本發(fā)明根據(jù)步驟D中巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度控制巡檢機器人在平面內(nèi)運動。

本發(fā)明通過將巡檢機器人的運動分解為三個獨立分量，計算出巡檢機器人的各個麥克納姆輪的軸心速度，從而計算出巡檢機器人的各個麥克納姆輪的轉動速度；通過X軸平動、Y軸平動、yaw軸自轉三個獨立分量的運動結合，可以讓巡檢機器人在平面上完成任意方向的運動，而無需讓巡檢機器人繞某一圓心旋轉，從而有效的提高了巡檢機器人運動效率，使得巡檢機器人能在更小的空間完成就地轉向、橫向移動和按照一定角度斜線運動，避免了普通橡膠輪胎運動的不足。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。