麦克纳姆轮式全方位移动机器人的运动控制方法及装置与流程

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种麦克纳姆轮式全方位移动机器人的运动控制方法及装置。

背景技术：

在如仓库、走廊、高压配电室等工作空间狭窄，对机器人本身的运行和转向灵活性要求比较高的场合，需要一种能够在保持机器人的姿态不变的情况下，实现机器人的横向和纵向平移，以及绕机器人中心旋转。

因此，需要一种基于麦克纳姆轮的全方位移动机器人来实现上述特殊场合的工作任务。

技术实现要素：

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种麦克纳姆轮式全方位移动机器人的运动控制方法及装置，能够使得全方位移动机器人更好地从当前位置自动运行到设定的目标位置。本发明的另一目的在于提出一种基于麦克纳姆轮的全方位移动机器人。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种麦克纳姆轮式全方位移动机器人的运动控制方法，包括如下：

1)通过控制麦克纳姆轮的速度和运行方向，实现全方位移动机器人从初始位置向目标位置移动；

2)在移动过程中利用安装在车体上的激光雷达传感器，自动检测周围环境；

3)嵌入式控制器根据激光雷达传感器所检测的信号或数据进行分析和比对；

4)嵌入式控制器根据对激光雷达传感器所检测的信号或数据进行分析和比对结果，控制车体可控地自动运动，使得最终到达的实际位置与目标设定位置之间的差距在预设的容许公差范围内。

具体还包括：全方位移动机器人自动地从初始位置向目标位置运动，这种运动通过控制麦克纳姆轮来实现，同时，这种运动需要借助于路径规划来实现。移动机器人路径规划主要包括构建环境地图，以及在先验地图的基础上规划出一条到指定目标点的安全路径，并在移动机器人运动到目标点的过程中实时地规避动态障碍物；路径规划方法如下：

1)通过测量得到当前时刻的激光雷达数据，与已经构建的环境地图相匹配，实现机器人的位姿估计；

2)得到精确的位姿估计后，利用当前时刻激光雷达感知到的数据，进行地图的增量式绘制；

3)进一步，在路径规划过程中，利用激光雷达可以实现对障碍物的实时检测，并进行局部路径规划。

所述的路径规划方法具体步骤包括如下：

第一步，嵌入式控制器接收任务位置；

第二步，系统开始全局路径规划，首先寻找机器人当前位置到目标位置的全局路径，再寻找最短的全局路径；

第三步，进行局部路径规划；

第四步，控制系统进行路径跟随控制；

第五步，判断当前是否具有运动许可指令，如果是，到第六步，如果否，回到第二步；

第六步，发送控制指令给驱动器；

第七步，判断是否到达目标位置？如果是，本次导航结束；如果否，回到第三步。

用于实现所述的一种麦克纳姆轮式全方位移动机器人的运动控制方法的装置，所述的全方位移动机器人为能够在平面上沿任意方向运动，用4个麦克纳姆轮作为全方位移动机器人的轮子，麦克纳姆轮仅在其转动轴上做圆周转向运动，而转动轴承本身则刚性地连接到车体上；通过协调计算和改变麦克纳姆轮的运转速度和运转方向，可实现期望的车体行进方向或期望的车体转向功能；包括车体框架、麦克纳姆轮、轴承、联轴器、电机、控制器、激光传感器。

全方位移动机器人的车体内装有至少一个48v30ah磷酸铁锂蓄电池，用来提供全方位移动机器人的所有用电需求，磷酸铁锂蓄电池固定在车体上，也可以拆卸、更换。

车体的前端和后端分别安装激光雷达传感器，实现全方位移动机器人周围360度范围内无死角实时测距与避障，并利用激光雷达传感器的采集数据，进行实时地图构建和导航控制。

利用48v直流电机分别驱动4个麦克纳姆轮，实现机器人前进、后退和转向功能。

采用基于pc的嵌入式控制器发送指令，控制伺服驱动器驱动直流电机的行进方向与运动速度，伺服电机安装减速机及旋转编码器，实现位置和速度双闭环控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的基于麦克纳姆轮的全方位移动机器人是机器人的一种，根据本发明的方法，不需要辅助的转向机构，只需通过各轮之间转速与转向的配合就可以实现全方位运动，能够仅仅通过利用安装在车体上的两个激光雷达传感器所测得的数据就可以实现全方位移动机器人在其目标点上的定位，导航，防撞及避障功能，定位精度高，降低了整车成本，另外，车载控制器采用基于pc的嵌入式控制器，能够极大地提高算力，传感器的数据存储与处理、机器人的运动控制功能都在嵌入式控制器内完成，降低了上位机的依赖性，有利于全方位移动机器人独立开展任务。

附图说明

图1为本发明的全方位移动机器人结构示意图；

图2为本发明使用的麦克纳姆轮轮结构示意图1；

图3为本发明使用的麦克纳姆轮轮结构示意图2；

图4为本发明使用的麦克纳姆轮轮结构示意图3；

图5为本发明的全方位移动机器人路径规划总体架构图。

图中：1.车体；2.克纳姆轮；3.伺服电机；4.轴承；5.嵌入式控制器；6.磷酸铁锂蓄电池；7.激光雷达传感器；

21.轮毂；22.辊子；23.轮子绕轮子与地面的接触点转动；24.轮子在电机驱动下绕自身轴线转动；25.辊子在摩擦力驱动下绕自身轴线转动；26.轮子速度；27.主动方向速度分量；28.被动方向速度分量；

31.接收任务位置；32.全局路径规划；33.局部路径规划；34.路径跟随控制；35.判断当前是否具有运动许可指令；36.发送控制指令给驱动器；37判断是否到达目标位置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

麦克纳姆轮2式全方位移动机器人系统分为硬件系统和软件系统两个部分。硬件系统如图1所示，包括车体1，麦克纳姆轮2，轴承4，电机3，嵌入式控制器55，磷酸铁锂蓄电池6和激光雷达传感器7等。软件系统包括人机界面，通讯接口，控制算法等。

一、硬件系统构成

全方位移动机器人是一种能够在平面上沿任意方向运动，用4个麦克纳姆轮2作为全方位移动机器人的轮子，麦克纳姆轮2仅在其转动轴上做圆周转向运动，而转动轴承本身则刚性地连接到车体1上。通过协调计算和改变麦克纳姆轮22的运转速度和运转方向，可实现期望的车体1行进方向或期望的车体1转向功能。

见图2-4，麦克纳姆轮2由轮毂21和辊子22组成。许多鼓形辊子22分布在轮体的圆周，这些辊子22的外廓线与轮子的理论圆周相重合，并且辊子22能自由地旋转，辊子22的轴线与轮子轴线通常成45°。当电机驱动车轮旋转时，车轮沿着垂直于驱动轴的方向前进。每个麦克纳姆轮2的轮子在电机驱动下绕自身轴线转动24，辊子在摩擦力驱动下绕自身轴线转动25，轮子绕轮子与地面的接触点转动23。轮子速度26可以分成主动方向27和被动方向28两个分量，主动方向分量27为沿着接触地面的辊子的轴向方向，而被动方向分量为与辊子轴向垂直的方向，此时，辊子22沿着其各自的轴线旋转。通过4个麦克纳姆轮2的组合，以及各个轮子之间转速与转向的配合，可以合成平面内任意方向的力矩，从而驱动车体1在平面内向任意方向进行移动，实现在平面内的全方位运动。

全方位移动机器人的车体1内装有至少一个48v30ah磷酸铁锂蓄电池6，用来提供全方位移动机器人的所有用电需求，磷酸铁锂蓄电池6固定在车体1上，也可以拆卸、更换。

车体1的前端和后端分别安装激光雷达传感器7，实现全方位移动机器人周围360度范围内无死角实时测距与避障，并利用激光雷达传感器7的采集数据，进行实时地图构建和导航控制。

利用48v直流电机分别驱动4个麦克纳姆轮2，实现机器人前进、后退和转向功能。

采用基于pc的嵌入式控制器5发送指令，控制伺服驱动器驱动直流电机的行进方向与运动速度，伺服电机安装减速机及旋转编码器，实现位置和速度双闭环控制。

二、运动控制方法

全方位移动机器人可以通过相应的运动控制方法实现自动地地驶向目标位置。

本发明通过一种运动控制方法来实现自动控制和引导机器人，该方法包括：

(1)通过控制麦克纳姆轮2的速度和运行方向，实现全方位移动机器人从初始位置向目标位置移动，

(2)在移动过程中利用安装在车体1上的激光雷达传感器7，自动检测周围环境，

(3)嵌入式控制器5根据激光雷达传感器7所检测的信号或数据进行分析和比对，

(4)嵌入式控制器5根据对激光雷达传感器7所检测的信号或数据进行分析和比对结果，控制车体1可控地自动运动，使得最终到达的实际位置与目标设定位置之间的差距在预设的容许公差范围内。

全方位移动机器人自动地从初始位置向目标位置运动，这种运动通过控制麦克纳姆轮2来实现，同时，这种运动需要借助于路径规划来实现。移动机器人路径规划主要包括构建环境地图，以及在先验地图的基础上规划出一条到指定目标点的安全路径，并在移动机器人运动到目标点的过程中实时地规避动态障碍物。首先通过测量得到当前时刻的激光雷达数据，与已经构建的环境地图相匹配，实现机器人的位姿估计；

然后得到精确的位姿估计后，利用当前时刻激光雷达感知到的数据，进行地图的增量式绘制；进一步，在路径规划过程中，利用激光雷达可以实现对障碍物的实时检测，并进行局部路径规划。

附图5展示了具体实施路径规划的方法：

第一步，嵌入式控制器5接收任务位置31；

第二步，系统开始全局路径规划32，首先寻找机器人当前位置到目标位置的全局路径，再寻找最短的全局路径；

第三步，进行局部路径规划33；

第四步，控制系统进行路径跟随控制34；

第五步，判断当前是否具有运动许可指令35，如果是，到第六步，如果否，回到第二步；

第六步，发送控制指令给驱动器36；

第七步，判断是否到达目标位置37？如果是，本次导航结束；如果否，回到第三步。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。