CN110758552B - 一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法，包括：根据车辆全轮转向运动特点，设计多种运动模式；其中，多种运动模式包括普通模式、前转模式、后转模式、斜行模式、原地转圈模式、前摆模式、后摆模式、复位模式、90度模式和停车模式；建立一种基于坐标系的通用运动学模型，计算不同运动模式下每个轮组的目标转角及稳态电机速度；将多种运动模式分为动态模式和静态模式；其中，动态模式采用同步控制算法，保证轮组在相同的时间同步到达目标角度，静态模式采用快速响应控制算法，保证轮组快速到达目标角度。轮组转到目标角度后，车辆以稳态电机速度运动。

Description

一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法

技术领域

本发明涉及多轮驱动全向车辆控制技术领域，具体涉及一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法。

背景技术

随着电动车技术的推广，越来越多的场地运输车辆开始采用两级差动全向驱动方式，车辆由多套舵轮总成构成，每个舵轮总成由两个驱动电机及回转盘构成，可通过两个驱动电机差动控制舵轮总成转向，从而实现整车转向中心的设定。

两级差动多轮全向车辆通过电机差动实现单轮组转向，取消了传统的转向机构，车辆机构更紧凑，单位承载吨位更大。多轮全向的机构设计形式可实现整车转向中心的自由设置，车辆运动形式更灵活。但是同样增加了车辆运动控制的难度，尤其随着车辆的载重能力增大。车辆需要通过每个单轮组的差动控制实现整车轮组协同转向，同时需要处理车辆转向动作与驱动动作之间的耦合关系，并考虑车辆负载变化的动力学特性。

目前该种形式车辆的控制方法常常采用简化车辆运动模式的方式进行控制，或者仅分析了车辆的运动学模型，没有给出有效的控制方法。无法满足重型车辆的控制需求，发挥车辆运动形式灵活的优势。

发明内容

为解决现有控制方法灵活性不强，无法适用于重载车辆的问题，本发明提供一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法，可根据实际应用需求，为车辆设计了多种运动模式，并针对不同运动模式特性提出有效的控制方法，并具有良好的扩展性。

本发明公开了一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法，包括：

根据车辆全轮转向运动特点，设计多种运动模式，适用于不同的应用工况；

建立一种基于坐标系的通用运动学模型，根据车辆实际约束计算不同运动模式下每个轮组的目标转角及稳态电机速度；

根据运动学特点及应用工况，将多种所述运动模式分为动态模式和静态模式；

所述动态模式采用同步控制算法，保证轮组在相同的时间同步到达所述目标角度；所述静态模式采用快速响应控制算法，保证轮组快速到达所述目标角度；轮组转到所述目标角度后，车辆以所述稳态电机速度运动。

作为本发明的进一步改进，多种所述运动模式的设计满足阿克曼转向几何原理，不同的运动模式适应不同工况，针对不同的模式按照动态特性进行分类，基于运动学及动力学设计不同的控制方法。

作为本发明的进一步改进，所述建立一种基于坐标系的通用运动学模型，考虑车辆实际约束计算不同运动模式下每个轮组的目标转角及稳态电机速度；包括：

以车辆几何中心为原点建立直角坐标系，以每个轮组的中心点P_ij为参考点，其中i为轮组行标，j为轮组列标，由车辆轮组几何关系计算轮组坐标P_ij(X_ij,Y_ij)；

定义转角最大轮组的目标转角等同于遥控器输入的控制转角α；

根据阿克曼转向几何关系，已知最大转向轮组坐标及转角，计算转向中心坐标O(X_o,Y_o)，计算每个轮组的目标转角α_ij；

定义车辆中心点速度等同于遥控器输入的控制速度V，由每个轮组的转角及轮组几何关系，计算每个轮组的目标速度V_ij；

建立每个轮组的差动转向模型，计算轮组上左侧电机和右侧电机的稳态速度V_ijl及V_ijR。

作为本发明的进一步改进，所述动态模式采用同步控制算法，保证轮组在相同的时间同步到达所述目标角度；包括：

所述动态模式时车辆边行走边转向，在车辆在接到控制指令后，在相同时间内转到目标转角；所述控制转角α由遥控器左右方向手柄输入，范围为-90°到+90°，负角度代表逆时针旋转，正角度代表顺时针旋转；当手柄向左摇动时，减小α；当手柄向右摇动时，增大α；手柄复位时，α不变；所述控制转角α的变化速度与最大角度误差MAX(α_ij)相关；

由轮组差动模型ω＝(V_ijl-V_ijR)/L可知，L为车辆轮组的纵向距离；通过控制轮组左右电机差速ΔV_ij控制轮组的转向速度；定义轮组实际角度β_ij与目标角度α_ij的误差为θ_ij，定义轮组最小误差为θ_min，θ_min＝Min(θij)，定义轮组误差与最小误差的误差为同步误差η_ij；当轮组转到目标角度时，即θ_ij＝0时，轮组左右电机以稳态速度V_ijl及V_ijR运行，当轮组未转到目标角度时，通过调节电机差速ΔV_ij，使轮组快速转到目标角度；其中ΔV_ij＝f₁(θ_ij)+f₂(η_ij)；当角度误差θ_ij增大时，增加调节量，使轮组快速收敛到目标角度；当同步误差η_ij超过设定误差角度η后，增加调节量，使轮组同步。

作为本发明的进一步改进，所述静态模式采用快速响应控制算法，保证轮组快速到达所述目标角度；包括：

所述静态模式时车辆先转向，转到目标角度后再驱动行走；基于轮组差动模型ω＝(V_ijl-V_ijR)/L可知，(V_ijl+V_ijR)/2＝V_ij，使轮组左侧电机与右侧电机分别以最大速度正反转运行，使轮组快速转向；同时，以误差角度θ_ij为参考变量进行闭环控制，使轮组转到目标角度。

作为本发明的进一步改进，

多种所述运动模式包括普通模式、前转模式、后转模式、斜行模式、原地转圈模式、前摆模式、后摆模式、复位模式、90度模式和停车模式；

所述普通模式、前转模式、后转模式的转向中心分别落在车辆中心线、第一排轮组中心线以及最后一排轮组中心线，具***置与目标转角相关；

所述斜行模式的所有轮组转向角度相同，等同于目标转向；

所述原地转圈模式、前摆模式、后摆模式的转向中心分别落于车辆几何中心，第一排轮组中心以及最后一排轮组中心，与目标转角无关；

所述复位模式、90度模式、停车模式的所有轮组有固定的转向角度，与目标转角无关；

其中，所述普通模式、前转模式、后转模式和斜行模式为动态模式，所述原地转圈模式、前摆模式、后摆模式、复位模式、90度模式和停车模式为静态模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明结合车辆全轮转向的特点为车辆设计了多种运动模式，使车辆具有高度灵活性；

本发明采用考虑车辆实际约束的通用运动学模型，大幅简化算法，能够满足多种运动模式的实际运算需求；

本发明根据运动特点对运动模式进行了分类，分别设计控制方法，使车辆具有适应不同工况的运动特性；

本发明充分考虑车辆的动力学特性，能够适应重载运输车负载变化大的应用特征，并充分发挥车辆动力。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法的流程图；

图2为本发明一种实施例公开的重载两级差动多轮全向车辆的结构示意图；

图3为本发明一种实施例公开的重载两级差动多轮全向车辆的运动模式图；

图4为本发明一种实施例公开的重载两级差动多轮全向车辆的运动学模型图。

图中：

1、车辆单元；2、轮组总成；21、左驱动电机总成；22、右驱动电机总成；23、回转盘装置；24、角度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法，首先针对车辆应用需求设计多种运动模式；然后采用一种基于坐标系的通用方式建立车辆运动学模型，根据车辆目标速度、目标转角、目标模式等控制信息，计算每个轮组中每个电机的稳态目标控制速度。最后根据不同运动模式的应用需求，将运动模式分为静态模式与动态模式，并采用不同控制方法控制轮组动态运动过程。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图2所示，本发明的重载两级差动多轮全向车辆可由多个车辆单元1扩展组成，一个车辆单元1包括4个轮组总成2，每个轮组总成,2由左驱动电机总成21、右驱动电机总成22、回转盘装置23、角度传感器24)组成。通过控制左驱动电机总成21、右驱动电机总成22的差速可控制回转盘装置23旋转，回转盘装置23上装有角度传感器24，通过闭环算法可控制回转装置23旋转角度。

如图1所示，本发明提供一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法，包括：

S1、根据车辆全轮转向运动特点，设计多种运动模式；其中：

不同的运动模式对应不同的转向中心设定方法，满足阿克曼转向几何原理，不同的运动模式可以适应不同工况；

如图3所示，多种运动模式包括(1)普通模式、(2)前转模式、(3)后转模式、(4)斜行模式、(5)原地转圈模式、(6)前摆模式、(7)后摆模式、(8)复位模式、(9)90度模式和(10)停车定义模式；

普通模式、前转模式、后转模式的转向中心分别落在车辆中心线、第一排轮组中心线以及最后一排轮组中心线，具***置与目标转角相关；

斜行模式的所有轮组转向角度相同，等同于目标转向；

原地转圈模式、前摆模式、后摆模式的转向中心分别落于车辆几何中心，第一排轮组中心以及最后一排轮组中心，与目标转角无关；

复位模式、90度模式、停车模式的所有轮组有固定的转向角度，与目标转角无关。

S2、为了简化程序代码，使多种运动模式成为可能；建立一种基于坐标系的通用运动学模型，根据车辆实际约束计算不同运动模式下每个轮组的目标转角及稳态电机速度；以适用于车辆不同模式的运动控制需求；其中：

以车辆几何中心为原点建立直角坐标系，以每个轮组的中心点P_ij为参考点，其中i为轮组行标，j为轮组列标，由车辆轮组几何关系计算轮组坐标P_ij(X_ij,Y_ij)；

考虑实际车辆运行时的机构约束，定义转角最大轮组的目标转角等同于遥控器输入的控制转角α；这样只要限制控制转角的最大值，就可以保证所有轮组转向不会超限；

根据阿克曼转向几何关系，已知最大转向轮组坐标及转角，计算转向中心坐标O(X_o,Y_o)，计算每个轮组的目标转角α_ij；

定义车辆中心点速度等同于遥控器输入的控制速度V，由每个轮组的转角及轮组几何关系，计算每个轮组的目标速度V_ij；

建立每个轮组的差动转向模型，计算轮组上左侧电机和右侧电机的稳态速度V_ijl及V_ijR。

具体的：

如图4的(1)所示，以一个单元车辆为例，以车辆几何中心为原点建立直角坐标系O_A，以每个轮组的中心点P_ij为参考点。由图可知车辆轮组横向距离为H,纵向距离为L，轮组两个驱动轮的间距为E。可计算每个轮组坐标P_ij(X_ij,Y_ij)。

X_ij＝(j-1)*H-(J-1)*H/2

Y_ij＝-(i-1)*L+(I-1)*L/2

设遥控器输入的控制转角为α，为保证计算有效性，考虑车辆机构约束，定义转角最大轮组的目标转角等同于遥控器输入的控制转角α。以普通模式左转为例，由图4的(2)所示，由轮组几何关系可知，左转时轮组P₁₁目标转角最大，因此可知α₁₁等于控制转角α。根据阿克曼转向几何关系，可以计算转向中心坐标O(X_o,Y_o)，从而计算每个轮组的目标转角α_ij。计算公式如下所示，同理可计算所有运动模式轮组目标转角。

Y_O＝0

定义车辆中心点速度等同于遥控器输入的控制速度V，由可以计算每个轮组的目标速度V_ij。

如图4的(3)所示，建立每个轮组的差动转向模型，可以计算轮组上左侧电机和右侧电机的稳态速度V_ijA及V_ijB。

S3、根据运动学特点及应用工况，将多种运动模式分为动态模式和静态模式；其中：

动态模式与目标转角相关，目标转角通过遥控器手柄输入，适用于普通运行工况，静态模式与目标转角无关，适用于狭小场地车辆姿态调整；

(1)普通模式、(2)前转模式、(3)后转模式、(4)斜行模式的轮组转向角度根据遥控手柄输入角度相关，定义为动态模式。(5)原地转圈模式、(6)前摆模式、(7)后摆模式、(8)复位模式、(9)90度模式、(10)停车定义模式为静态模式。

S4、不同的运动模式有不同的应用需求，因此设计不同的控制方法，保证***的动态特性。为此，动态模式采用同步控制算法，保证轮组在相同的时间同步到达目标角度，轮组转到目标角度后，车辆以稳态电机速度运动；其中：

动态模式时车辆边行走边转向，要求轮组转向时应具有很好的同步性，即在车辆在接到控制指令后，在相同时间内转到目标转角；控制转角α由遥控器左右方向手柄输入，范围为-90°到+90°，负角度代表逆时针旋转，正角度代表顺时针旋转；当手柄向左摇动时，减小α；当手柄向右摇动时，增大α；手柄复位时，α不变；为了保证良好的同步性，控制转角α的变化速度与最大角度误差MAX(α_ij)相关；

由轮组差动模型ω＝(V_ijl-V_ijR)/L可知，L为车辆轮组的纵向距离；通过控制轮组左右电机差速ΔV_ij控制轮组的转向速度；定义轮组实际角度β_ij与目标角度α_ij的误差为θ_ij，定义轮组最小误差为θ_min，θ_min＝Min(θ_ij)，定义轮组误差与最小误差的误差为同步误差η_ij；当轮组转到目标角度时，即θ_ij＝0时，轮组左右电机以稳态速度V_ijl及V_ijR运行，当轮组未转到目标角度时，通过调节电机差速ΔV_ij，使轮组快速转到目标角度；其中ΔV_ij＝f₁(θ_ij)+f₂(η_ij)。当角度误差θ_ij增大时，增加调节量，使轮组快速收敛到目标角度。当同步误差η_ij超过设定误差角度η后，增加调节量，使轮组同步；同时限定ΔVij最大值，使驱动电机运载在额定功率内。

其中：

动态模式保证轮组在相同时间内同步到达目标转角，控制轮组左右驱动电机差速，另ΔV_ij＝f₁(θ_ij)+f₂(η_ij)，其中θ_ij＝α_ij-β_ij，η_ij＝θ_ij-Min(θ_ij)，函数f₁令调节量与轮组误差正相关，函数f₂为带死区的PID函数。同时限定ΔV_ij最大值，使其在电机驱动功率内。并令控制转角α＝f₃[MAX(θ_ij)],其中函数f₃使控制转角与轮组误差负相关。

S5、不同的运动模式有不同的应用需求，因此设计不同的控制方法，保证***的动态特性。为此，静态模式采用快速响应控制算法，保证轮组快速到达目标角度，轮组转到目标角度后，车辆以稳态电机速度运动；其中：

静态模式时车辆先转向，转到目标角度后再驱动行走，要求轮组能够以最快速度转向到位；基于轮组差动模型ω＝(V_ijl-V_ijR)/L可知，(V_ijl+V_ijR)/2＝V_ij，使轮组左侧电机与右侧电机分别以最大速度正反转运行，使轮组快速转向；同时，以误差角度θ_ij为参考变量进行闭环控制，使轮组转到目标角度；为了使***稳定，在接近目标角度后，增加斜波函数，使电机逐渐停止驱动。

本发明的优点为：

本发明结合车辆全轮转向的特点为车辆设计了多种运动模式，使车辆具有高度灵活性；

本发明采用考虑车辆实际约束的通用运动学模型，大幅简化算法，能够满足多种运动模式的实际运算需求；

本发明根据运动特点对运动模式进行了分类，分别设计控制方法，使车辆具有适应不同工况的运动特性；

本发明充分考虑车辆的动力学特性，能够适应重载运输车负载变化大的应用特征，并充分发挥车辆动力。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种重载两级差动多轮全向车辆的多模式运动控制方法，其特征在于，包括：

根据车辆全轮转向运动特点，设计多种运动模式，适用于不同的应用工况；

建立一种基于坐标系的通用运动学模型，根据车辆实际约束计算不同运动模式下每个轮组的目标转角及稳态电机速度；

根据运动学特点及应用工况，将多种所述运动模式分为动态模式和静态模式；

所述动态模式采用同步控制算法，保证轮组在相同的时间同步到达目标角度；所述静态模式采用快速响应控制算法，保证轮组快速到达所述目标角度；轮组转到所述目标角度后，车辆以所述稳态电机速度运动。

2.如权利要求1所述的多模式运动控制方法，其特征在于，多种所述运动模式的设计满足阿克曼转向几何原理，不同的运动模式适应不同工况，针对不同的模式按照动态特性进行分类，基于运动学及动力学设计不同的控制方法。

3.如权利要求1所述的多模式运动控制方法，其特征在于，所述建立一种基于坐标系的通用运动学模型，考虑车辆实际约束计算不同运动模式下每个轮组的目标转角及稳态电机速度；包括：

以车辆几何中心为原点建立直角坐标系，以每个轮组的中心点P_ij为参考点，其中i为轮组行标，j为轮组列标，由车辆轮组几何关系计算轮组坐标P_ij(X_ij,Y_ij)；

定义转角最大轮组的目标转角等同于遥控器输入的控制转角α；

根据阿克曼转向几何关系，已知最大转向轮组坐标及转角，计算转向中心坐标O(X_o,Y_o)，计算每个轮组的目标转角α_ij；

定义车辆中心点速度等同于遥控器输入的控制速度V，由每个轮组的转角及轮组几何关系，计算每个轮组的目标速度V_ij；

建立每个轮组的差动转向模型，计算轮组上左侧电机和右侧电机的稳态速度V_ijl及V_ijR。

4.如权利要求3所述的多模式运动控制方法，其特征在于，所述动态模式采用同步控制算法，保证轮组在相同的时间同步到达所述目标角度；包括：

所述动态模式时车辆边行走边转向，在车辆在接到控制指令后，在相同时间内转到目标转角；所述控制转角α由遥控器左右方向手柄输入，范围为-90°到+90°，负角度代表逆时针旋转，正角度代表顺时针旋转；当手柄向左摇动时，减小α；当手柄向右摇动时，增大α；手柄复位时，α不变；所述控制转角α的变化速度与最大角度误差MAX(α_ij)相关；

由轮组差动模型ω＝(V_ijl-V_ijR)/L可知，L为车辆轮组的纵向距离；通过控制轮组左右电机差速ΔV_ij控制轮组的转向速度；定义轮组实际角度β_ij与目标角度α_ij的误差为θ_ij，定义轮组最小误差为θ_min，θ_min＝Min(θij)，定义轮组误差与最小误差的误差为同步误差η_ij；当轮组转到目标角度时，即θ_ij＝0时，轮组左右电机以稳态速度V_ijl及V_ijR运行，当轮组未转到目标角度时，通过调节电机差速ΔV_ij，使轮组快速转到目标角度；其中ΔV_ij＝f₁(θ_ij)+f₂(η_ij)；当角度误差θ_ij增大时，增加调节量，使轮组快速收敛到目标角度；当同步误差η_ij超过设定误差角度η后，增加调节量，使轮组同步。

5.如权利要求3所述的多模式运动控制方法，其特征在于，所述静态模式采用快速响应控制算法，保证轮组快速到达所述目标角度；包括：

所述静态模式时车辆先转向，转到目标角度后再驱动行走；基于轮组差动模型ω＝(V_ijl-V_ijR)/L可知，(V_ijl+V_ijR)/2＝V_ij，使轮组左侧电机与右侧电机分别以最大速度正反转运行，使轮组快速转向；同时，以误差角度θ_ij为参考变量进行闭环控制，使轮组转到目标角度。

6.如权利要求1所述的多模式运动控制方法，其特征在于，

多种所述运动模式包括普通模式、前转模式、后转模式、斜行模式、原地转圈模式、前摆模式、后摆模式、复位模式、90度模式和停车模式；

所述普通模式、前转模式、后转模式的转向中心分别落在车辆中心线、第一排轮组中心线以及最后一排轮组中心线，具***置与目标转角相关；

所述斜行模式的所有轮组转向角度相同，等同于目标转向；

所述原地转圈模式、前摆模式、后摆模式的转向中心分别落于车辆几何中心，第一排轮组中心以及最后一排轮组中心，与目标转角无关；

所述复位模式、90度模式、停车模式的所有轮组有固定的转向角度，与目标转角无关；

其中，所述普通模式、前转模式、后转模式和斜行模式为动态模式，所述原地转圈模式、前摆模式、后摆模式、复位模式、90度模式和停车模式为静态模式。

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