本發(fā)明涉及機(jī)械工程與自動化控制，特別是涉及一種2wis全向輪裝置及控制算法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的萬向輪結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、自動駕駛平臺等設(shè)備中，用于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向控制。但萬向輪在設(shè)計(jì)上存在一定的局限性，特別是在復(fù)雜轉(zhuǎn)向條件下，可能導(dǎo)致運(yùn)動精度不高或控制不穩(wěn)定。

2、以麥克納姆輪為基礎(chǔ)的萬向輪，麥克納姆輪的特點(diǎn)是每個(gè)輪子上裝有多個(gè)安裝角度為45度的滾輪(通常是4個(gè)滾輪)，每個(gè)滾輪的傾斜角度幫助其在多個(gè)方向上提供推力。配合四個(gè)滾輪分別放置在機(jī)器人的四個(gè)角，能夠?qū)崿F(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)和任意方向的組合移動，且控制較為直觀，并通過差速控制四個(gè)滾輪的速度和方向，可以實(shí)現(xiàn)任意方向的移動，相較于傳統(tǒng)車輪，它不需要額外的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來改變方向，簡化了設(shè)計(jì)。

3、但是由于滾輪的安裝角度和設(shè)計(jì)，使得摩擦力和牽引力不如傳統(tǒng)車輪。且對地面平整度要求高，需要定期更換磨損部位，地面一旦不平，力分解策略失效，無法實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動，同時(shí)每個(gè)滾輪都有復(fù)雜的角度設(shè)計(jì)，制造過程較為復(fù)雜且維護(hù)困難。且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承載能力一般不如傳統(tǒng)輪子。

4、而差速輪系統(tǒng)作為一種常見的驅(qū)動方式，廣泛應(yīng)用于差速驅(qū)動型設(shè)備中，雖然能夠提供良好的直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)向控制，但其傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方式通常需要附加裝置來實(shí)現(xiàn)更靈活的操控。而以4wis為主的全向輪為例，其系統(tǒng)通常由四個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)向的滾輪組成，每個(gè)滾輪都可以獨(dú)立調(diào)整其轉(zhuǎn)向角度，使得機(jī)器人可以在任意方向上平移、旋轉(zhuǎn)或進(jìn)行組合運(yùn)動。這種設(shè)計(jì)與麥克納姆輪不同，4wis依靠每個(gè)滾輪單獨(dú)的轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)全向控制，而非通過傾斜角度。如圖1所示，該種差速輪支持橫向移動、斜向運(yùn)動、單阿克曼運(yùn)動、雙阿克曼運(yùn)動、斜行阿克曼運(yùn)動、原地自旋等多種模式。每個(gè)滾輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向提供了更高的控制精度和靈活性，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的運(yùn)動控制，尤其在狹窄空間中。且由于每個(gè)滾輪的轉(zhuǎn)向完全獨(dú)立，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的全向移動。同時(shí)每個(gè)滾輪都可以單獨(dú)控制，所以承載能力通常較強(qiáng)，適合更重的負(fù)載。

5、但是，由于4wis系統(tǒng)需要獨(dú)立的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向機(jī)制，增加了設(shè)計(jì)和控制的復(fù)雜性。多個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要更多的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，因此能量消耗相對較高。且系統(tǒng)需要精密的控制策略來協(xié)調(diào)四個(gè)滾輪的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，如何在保持4wis系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更低成本的全向輪控制系統(tǒng)，是工業(yè)生產(chǎn)需要解決的一項(xiàng)的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種2wis全向輪裝置及控制算法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，能夠有效降低制作成本，并保證實(shí)現(xiàn)連續(xù)、任意角度的轉(zhuǎn)向控制，可以廣泛應(yīng)用于自動駕駛車輛、機(jī)器人、智能搬運(yùn)車等領(lǐng)域，特別是需要高精度控制和靈活轉(zhuǎn)向的場合。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：本發(fā)明提供一種2wis全向輪裝置，包括機(jī)架、兩獨(dú)立設(shè)置的驅(qū)動輪、至少一個(gè)從動輪；

3、兩所述驅(qū)動輪沿水平方向?qū)ΨQ分布在所述機(jī)架的兩側(cè)，且所述驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動軸線水平延伸；

4、兩所述驅(qū)動輪均配套有支架組件，所述支架組件包括轉(zhuǎn)向支架、第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)和第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)向支架的一端轉(zhuǎn)動安裝在所述機(jī)架上，且其轉(zhuǎn)動軸線豎直延伸，并配套有驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)向支架的另一端安裝有驅(qū)動所述驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)；

5、所述從動輪轉(zhuǎn)動安裝在所述機(jī)架上，并與兩所述驅(qū)動輪共同支撐在地面上。

6、優(yōu)選的，各所述轉(zhuǎn)向支架未安裝所述第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)的端部與所述機(jī)架之間均設(shè)有導(dǎo)電滑環(huán)，所述導(dǎo)電滑環(huán)包括定子和轉(zhuǎn)子；

7、所述定子安裝在所述機(jī)架上，用于與主控機(jī)構(gòu)電連接；

8、所述轉(zhuǎn)子安裝在所述轉(zhuǎn)向支架上，并與所述第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳動連接，且其轉(zhuǎn)動軸線豎直延伸，所述轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)向支架同步轉(zhuǎn)動，且所述轉(zhuǎn)子上引出的導(dǎo)線與所述第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)電連接。

9、優(yōu)選的，所述機(jī)架上轉(zhuǎn)動安裝有兩分別與各所述轉(zhuǎn)向支架對應(yīng)連接的轉(zhuǎn)向執(zhí)行器，所述轉(zhuǎn)向執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動軸線豎直延伸，所述轉(zhuǎn)向執(zhí)行器上同軸貫穿開設(shè)有安裝通道；

10、所述導(dǎo)電滑環(huán)嵌入所述安裝通道內(nèi)，所述導(dǎo)電滑環(huán)的外圈為所述轉(zhuǎn)子，并與所述轉(zhuǎn)向執(zhí)行器固定連接，所述導(dǎo)電滑環(huán)的內(nèi)圈為所述定子，并與所述機(jī)架固定連接。

11、優(yōu)選的，所述第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)與所述轉(zhuǎn)向執(zhí)行器傳動連接，并驅(qū)動所述轉(zhuǎn)向執(zhí)行器轉(zhuǎn)動。

12、優(yōu)選的，所述第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)為驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)設(shè)有作為所述轉(zhuǎn)向執(zhí)行器的中空電機(jī)軸。

13、優(yōu)選的，所述驅(qū)動輪包括輪轂及輪胎，所述輪胎安裝在所述輪轂的輪輞上，所述第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)與所述輪轂傳動連接。

14、優(yōu)選的，所述第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用輪轂電機(jī)，所述輪轂電機(jī)內(nèi)置在所述輪轂的內(nèi)周側(cè)。

15、優(yōu)選的，所述機(jī)架上安裝有兩從動輪，兩所述從動輪沿兩所述驅(qū)動輪的排布方向位于兩所述驅(qū)動輪之間，并沿垂直于兩所述驅(qū)動輪排布的方向分布在所述機(jī)架的兩側(cè)。

16、優(yōu)選的，所述從動輪采用萬向輪。

17、還提供一種2wis全向輪裝置的控制算法，基于v/w分解法，v和w分別表示所述2wis全向輪裝置自身的線速度和角速度；

18、其中，線速度v＝(vx，vy)t；角速度

19、所述2wis全向輪裝置的速度瞬心的位置公式為：xicr＝vy/wz，yicr＝vx/wz；

20、各所述驅(qū)動輪的線速度通過瞬心位置與所述驅(qū)動輪的幾何關(guān)系求得，第i個(gè)所述驅(qū)動輪的線速度可以通過以下公式計(jì)算：

21、記速度瞬心為i，則速度瞬心到第1個(gè)所述驅(qū)動輪中心的向量(上圖藍(lán)色部分)為：

22、

23、其中，為所述2wis全向輪裝置自身的中心點(diǎn)到第1個(gè)所述驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)中心的連線矢量，為所述2wis全向輪裝置自身的中心點(diǎn)到速度瞬心icr的向量，矢量相減得到第1個(gè)所述驅(qū)動輪de旋轉(zhuǎn)中心到速度瞬心的矢量，作為速度分解半徑；第1個(gè)所述驅(qū)動輪的位置為c1(x1，y1)；

24、則第1個(gè)所述驅(qū)動輪處的線速度應(yīng)該為：

25、

26、其中，x為向量的外積，叉乘；

27、則第1個(gè)所述驅(qū)動輪處的期望線速度大小為：

28、

29、第2個(gè)所述驅(qū)動輪處線速度同理，可以表示為通用公式：

30、

31、將所述驅(qū)動輪i的線速度，轉(zhuǎn)化為所述驅(qū)動輪i的角速度，其中r為輪轂電機(jī)的半徑：

32、

33、對應(yīng)的，所述驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向角為：

34、

35、對于任意利用上述公式得到每條輪腿的控制指令后，將每個(gè)輪轂電機(jī)處于速度環(huán)模式且速度指令為：

36、

37、每條腿的轉(zhuǎn)向電機(jī)處于位置環(huán)模式且轉(zhuǎn)向角度：

38、

39、針對不同運(yùn)動模態(tài)，控制的值。

40、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：

41、本發(fā)明在差速輪的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動輪，通過各第一驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動對應(yīng)的轉(zhuǎn)向支架及驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向動作，通過第二驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動對應(yīng)的驅(qū)動輪行進(jìn)動作，進(jìn)而通過控制兩個(gè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差，提供基礎(chǔ)的差速驅(qū)動控制，兩個(gè)驅(qū)動輪可以實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)連續(xù)線速度角速度指令、任意角度的轉(zhuǎn)向操作，相對于4wis系統(tǒng)，減少一半驅(qū)動機(jī)構(gòu)，能夠有效降低制作成本，且相對于萬向輪結(jié)構(gòu)，具備更高的穩(wěn)定性和操控性，解決了傳統(tǒng)萬向輪在復(fù)雜轉(zhuǎn)向過程中存在的靈活性不足問題?？梢詮V泛應(yīng)用于自動駕駛車輛、機(jī)器人、智能搬運(yùn)車等領(lǐng)域，特別是需要高精度控制和靈活轉(zhuǎn)向的場合。