CN111596667A - 一种智能全向差速运动单元及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一方面涉及一种智能全向差速运动单元，包括：车架、运动控制模块和多个差速模块。运动控制模块设置于车架上，运动控制模块包括协同控制板和多个差速控制组件，协同控制板和多个差速控制组件之间存在通讯连接，多个差速控制组件与多个差速模块之间存在通讯连接。多个差速模块可旋转地与车架相连，多个差速模块分别包括左轮和右轮。多个差速模块中的至少两个差速模块和车架的旋转中心上设置有绝对值角度传感器。本发明另一方面还涉及一种用于智能全向差速运动单元的控制方法。该智能全向差速运动单元具有磨损小、寿命长、载重能力大，应有潜力明显等优点，该控制方法具有控制方法合理、控制精度高、简单易行等优点，具有良好的市场前景。

Description

一种智能全向差速运动单元及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种智能全向差速运动单元及其控制方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，其在不同的生活场景中发挥着越来越重要的作用。其中，随着仓储物流***的升级改造，仓储物流机器人也被广泛应用。全向式运动单元作为一种新型的仓储物流机器人运载终端，由于其具有可以灵活切换航向或沿任意水平方向平移，在不同朝向的仓库通道、货物泊接点间灵活切换航向形态，可以进行更加高效柔性的转载作业等优点，受到了相关科研院所和企业单位的重视。国内外研究机构研制了多种不同类别的全向式仓储物流机器人运载终端，包括基于麦轮的全向差速运动单元和基于正交全向轮的全向差速运动单元。

基于麦轮的全向差速运动单元采用四个麦轮提供动力。麦轮，又称麦克纳姆轮，其上分布着斜滚珠，可形成同转动方向成45度或135度的侧向驱动力。通过规划和调整多个麦轮侧向驱动力的合力方向即可使全向差速运动单元完成左右平移、前后平移、原地旋转的动作，从而实现全向差速运动单元的全向移动。但采用此类解决方案会使麦轮上的斜滚珠沿其斜滚轴方向长期处于同地面的磨损状态，因此，此类全向差速运动单元具有使用寿命短，且对地面影响较大的缺点。

基于正交全向轮的全向差速运动单元则通过多组正交全向轮提供动力。各全向轮安装同转动方向相互正交的滚珠或滚环以消除轴向摩檫力，各全向轮主动提供沿滚动方向牵引线速度同时形成被动的轴向移动速度。当全向轮数量不小于三个，且转轴相互交错时，即可带动全向差速运动单元实现全向移动。但全向轮转动时，切换着地滚珠或滚环时会产生震颤颠簸现象，在冲击轮体的同时，也增加了电机能耗。

因此，基于麦轮的全向差速运动单元和基于正交全向轮的全向差速运动单元均难以满足行业需求，尤其是吨级以上的仓储物流需求。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本申请提供一种智能全向差速运动单元及其控制方法。该智能全向差速运动单元具有磨损小、寿命长、载重能力大，应有潜力明显等优点，该控制方法具有控制方法合理、控制精度高、简单易行等优点，具有良好的市场前景。

本申请一方面在于提供一种智能全向差速运动单元，该运动单元包括：车架、运动控制模块和多个差速模块。运动控制模块设置于车架上，运动控制模块包括协同控制板和多个差速控制组件，协同控制板和多个差速控制组件之间存在通讯连接，多个差速控制组件与多个差速模块之间存在通讯连接，且多个差速控制组件用于控制多个差速模块。多个差速模块分别可旋转地与车架相连，多个差速模块分别包括左轮和右轮。多个差速模块中的至少两个差速模块和车架的旋转中心上设置有绝对值角度传感器，绝对值角度传感器用于获得至少两个差速模块的角度位置信息。

在一些实施例中，多个差速模块包括分别以左右对称、前后对称的方式设置于智能全向差速运动单元底部左前侧、右前侧、左后侧和右后侧的四个差速模块。

在一些实施例中，绝对值角度传感器为旋转变压器。

在一些实施例中，协同控制板包括一路串口信息发送接口，一路串口信息发送接口同时与多个差速控制组件通讯连接。

本申请另一方面在于提供一种用于智能全向差速运动单元的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

(a)接收全向运动任务；

(b)基于全向运动任务确定智能全向差速运动单元的运动瞬心，并确定智能全向差速运动单元中多个差速模块各自相应的运动协同信息，运动协同信息包括协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速；

(c)获得多个差速模块各自相应的角度信息；

(d)基于多个差速模块各自相应的角度信息以及运动协同信息，确定多个差速模块各自相应的运动控制任务，运动控制任务包括差速调整角、左轮基准轮速和右轮基准轮速；

(e)将多个差速模块各自相应的运动控制任务发送至相应的多个差速控制组件；

(f)通过多个差速控制组件基于运动控制任务确定多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速；

(g)通过多个差速控制组件控制多个差速模块的左轮和右轮完成运动。

在步骤(d)中，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速根据多个差速模块各自相应的差速调整角确定：

当多个差速模块各自相应的差速调整角中至少一个差速调整角的绝对值超过预设上限阈值T_max时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速均为0；

当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别为相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速；

当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别在相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上等比例减小。

在一些实施例中，全向运动任务包含角速度指令值ω、线速度指令值ν和线速度的航向姿态角指令值θ，多个差速模块各自相应的运动协同信息中的协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速的计算方法为：

以智能全向差速运动单元的中心为原点O建立平面坐标系{R}，X轴指向智能全向差速运动单元的前侧，Y轴指向智能全向差速运动单元的左侧；

将多个差速模块中第n个差速模块的中心坐标定义为O_n(a,b)；

将智能全向差速运动单元的运动瞬心定义为多个差速模块的公共旋转中心，公共旋转中心坐标定义为O_t(x_t,y_t)；

当全向运动任务包含角速度指令值ω为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)在无穷远处，多个差速模块各自相应的协同姿态角符合公式(1)：

θ_n＝θ (1)；

多个差速模块各自相应的左轮协同航速符合公式(2)：

ν_Ln＝ν (2)；

多个差速模块各自相应的右轮协同航速符合公式(3)：

ν_Rn＝ν (3)；

当全向运动任务包含角速度指令值ω不为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)符合公式(4)：

多个差速模块各自相应的协同姿态角符合公式(5)：

多个差速模块各自相应的左轮协同航速符合公式(6)：

多个差速模块各自相应的右轮协同航速符合公式(7)：

在公式(1)至公式(7)中，θ_n为第n个差速模块的协同姿态角，ν_Ln为第n个差速模块的左轮协同航速，ν_Rn为第n个差速模块的右轮协同航速，

为第n个差速模块的由绝对值角度传感器求出的初始协同姿态角，B_n为第n个差速模块的左右轮之间的间距。

在一些实施例中，在步骤(c)中获得的多个差速模块各自相应的角度信息为多个差速模块各自相应的朝向角信息。在步骤(d)中多个差速模块各自相应的运动控制任务中的差速调整角符合公式(8)：

Δθ_n＝θ_n-S_n (8)；

式中，Δθ_n为第n个差速模块的差速调整角，θ_n为第n个差速模块的协同姿态角，S_n为第n个差速模块的朝向角信息。

在一些实施例中，在步骤(d)中，当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别在相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上按缩减比例λ等比例减小，缩减比例λ符合公式(9)：

多个差速模块各自相应的左轮基准轮速符合公式(10)：

Δν_Ln＝λν_Ln (10)；

多个差速模块各自相应的右轮基准轮速符合公式(11)：

Δν_Rn＝λν_Rn (11)；

在公式(9)至公式(11)中，Δθmax为多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值中的最大差速调整角的绝对值，Δν_Ln为第n个差速模块的左轮基准轮速，Δν_Rn为第n个差速模块的右轮基准轮速，ν_Ln为第n个差速模块的左轮协同航速，ν_Rn为第n个差速模块的右轮协同航速。

在一些实施例中，在步骤(e)中，通过协同控制板将多个差速模块各自相应的运动控制任务集合成一个数据帧包，并由同一路信息通讯将数据帧包发送至相应的多个差速控制组件，多个差速控制组件分别从数据帧包提取出各自相应的运动控制任务。

在一些实施例中，在步骤(f)中，通过多个差速控制组件基于各自相应的运动控制任务并将多个差速控制组件各自相应的差速调整角作为误差量采用PD运算公式确定至少多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速，多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速符合公式(12)：

式中：ΔE_n为第n个差速模块的总体速度，P为多个差速模块航向修正比例系数，D为多个差速模块航向修正微分系数，

为第n个差速模块差速调整角的时间微分项，Δθ_n为第n个差速模块的差速调整角，Δν_Ln ^*为第n个差速模块的左轮转速，Δν_Rn ^*为第n个差速模块的右轮转速，Δν_Ln为第n个差速模块的左轮基准轮速，Δν_Rn为第n个差速模块的右轮基准轮速，B_n为第n个差速模块的左右轮之间的间距。

附图说明

通过结合附图对于本申请的实施方式进行描述，可以更好地理解本申请，在附图中：

图1为本申请的一个实施例中的一种智能全向差速运动单元的平面布局关系示意图；

图2为如图1所示的实施例中的智能全向运动单元的控制方法框架图；和

图3为如图1所示的实施例中的运动协同信息计算方式辅助说明图。

附图标号说明：

100：智能全向差速运动单元；

110：车架；

120：左前侧差速模块；

130：右前侧差速模块；

140：左后侧差速模块；

150：右后侧差速模块；

160：单圈绝对值角度传感器；

170：运动控制模块；

171：协同控制板；

172：左前侧差速控制组件；

173：右前侧差速控制组件；

174：左后侧差速控制组件；

175：右后侧差速控制组件。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。

本申请的实施例涉及一种智能全向差速运动单元，该智能全向差速运动单元包括：车架、运动控制模块和多个差速模块。

运动控制模块设置于车架上，且运动控制模块包括协同控制板和多个差速控制组件。协同控制板和多个差速控制组件之间存在通讯连接。在一些实施例中，协同控制板包括一路串口信息发送接口，一路串口信息发送接口可以同时与多个差速控制组件通讯连接。多个差速控制组件与多个差速模块之间存在通讯连接，且多个差速控制组件用于控制多个差速模块。

多个差速模块分别可旋转地与车架相连，多个差速模块分别包括左轮和右轮。在一些实施例中，多个差速模块包括分别以左右对称、前后对称的方式设置于智能全向差速运动单元底部左前侧、右前侧、左后侧和右后侧的四个差速模块。

多个差速模块中的至少两个差速模块和车架的旋转中心上设置有绝对值角度传感器，绝对值角度传感器用于获得至少两个差速模块的角度位置信息。在一些实施例中，绝对值角度传感器可以是单圈绝对值角度传感器，也可以是旋转变压器。

本申请的实施例还涉及一种用于智能全向差速运动单元的控制方法，控制方法包括以下步骤：

(a)接收全向运动任务；

(b)基于全向运动任务确定智能全向差速运动单元的运动瞬心，并确定智能全向差速运动单元中多个差速模块各自相应的运动协同信息；运动协同信息包括协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速；

(c)获得多个差速模块各自相应的角度信息；

(d)基于多个差速模块各自相应的角度信息以及运动协同信息，确定多个差速模块各自相应的运动控制任务，运动控制任务包括差速调整角、左轮基准轮速和右轮基准轮速；

(e)将多个差速模块各自相应的运动控制任务发送至相应的多个差速控制组件；

(f)通过多个差速控制组件基于运动控制任务确定多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速；

(g)通过多个差速控制组件控制多个差速模块的左轮和右轮完成运动。

在步骤(a)中，全向运动任务可以包含角速度指令值ω、线速度指令值ν和线速度的航向姿态角指令值θ。

在步骤(b)中，在一些实施例中，多个差速模块各自相应的运动协同信息中的协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速的计算方法为：

以智能全向差速运动单元的中心为原点O建立平面坐标系{R}，X轴指向智能全向差速运动单元的前侧，Y轴指向智能全向差速运动单元的左侧。

将多个差速模块中第n个差速模块的中心坐标定义为O_n(a,b)。

将智能全向差速运动单元的运动瞬心定义为多个差速模块的公共旋转中心，公共旋转中心坐标定义为O_t(x_t,y_t)。

当全向运动任务包含角速度指令值ω为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)在无穷远处，多个差速模块各自相应的协同姿态角符合公式(1)：

θ_n＝θ (1)；

多个差速模块各自相应的左轮协同航速符合公式(2)：

ν_Ln＝ν (2)；

多个差速模块各自相应的右轮协同航速符合公式(3)：

ν_Rn＝ν (3)；

当全向运动任务包含角速度指令值ω不为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)符合公式(4)：

多个差速模块各自相应的协同姿态角符合公式(5)：

多个差速模块各自相应的左轮协同航速符合公式(6)：

多个差速模块各自相应的右轮协同航速符合公式(7)：

在公式(1)至公式(7)中，θ_n为第n个差速模块的协同姿态角，ν_Ln为第n个差速模块的左轮协同航速，ν_Rn为第n个差速模块的右轮协同航速，

为第n个差速模块的由绝对值角度传感器求出的初始协同姿态角，B_n为第n个差速模块的左右轮之间的间距。在一些实施例中，θ_n为第n个差速模块的修正角度范围后的协同姿态角。

在步骤(c)中,多个差速模块各自相应的角度信息可以为多个差速模块各自相应的朝向角信息。

在步骤(d)中，多个差速模块各自相应的运动控制任务中的差速调整角可以符合公式(8)：

Δθ_n＝θ_n-S_n (8)；

式中，Δθ_n为第n个差速模块的差速调整角，θ_n为第n个差速模块的协同姿态角，S_n为第n个差速模块的朝向角信息。

而多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速根据多个差速模块各自相应的差速调整角确定：

当多个差速模块各自相应的差速调整角中至少一个差速调整角的绝对值超过预设上限阈值T_max时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速均为0；

当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别为相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速；

当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别在相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上等比例减小。在一些实施例中，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别在相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上按缩减比例λ等比例减小，缩减比例λ符合公式(9)：

多个差速模块各自相应的左轮基准轮速符合公式(10)：

Δν_Ln＝λν_Ln (10)；

多个差速模块各自相应的右轮基准轮速符合公式(11)：

Δν_Rn＝λν_Rn (11)；

在公式(9)至公式(11)中，Δθmax为多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值中的最大差速调整角的绝对值，Δν_Ln为第n个差速模块的左轮基准轮速，Δν_Rn为第n个差速模块的右轮基准轮速，ν_Ln为第n个差速模块的左轮协同航速，ν_Rn为第n个差速模块的右轮协同航速。

在步骤(e)中，在一些实施例中，通过协同控制板将多个差速模块各自相应的运动控制任务集合成一个数据帧包，并由同一路信息通讯将数据帧包发送至相应的多个差速控制组件，多个差速控制组件分别从数据帧包提取出各自相应的运动控制任务。

在步骤(f)中，在一些实施例中，通过多个差速控制组件基于各自相应的运动控制任务并将多个差速控制组件各自相应的差速调整角作为误差量采用PD运算公式确定至少多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速，多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速符合公式(12)：

式中：ΔE_n为第n个差速模块的总体速度，P为多个差速模块航向修正比例系数，D为多个差速模块航向修正微分系数，

为第n个差速模块差速调整角的时间微分项，Δθ_n为第n个差速模块的差速调整角，Δν_Ln ^*为第n个差速模块的左轮转速，Δν_Rn ^*为第n个差速模块的右轮转速，Δν_Ln为第n个差速模块的左轮基准轮速，Δν_Rn为第n个差速模块的右轮基准轮速，B_n为第n个差速模块的左右轮之间的间距。

下面结合图1至图3对本申请的一个实施例进行详细说明。

如图1至图3所示的一种智能全向差速运动单元100包括：车架110、运动控制模块170和四个差速模块120、130、140、150。在一些实施例中，车架110可以选用上海音锋机器人股份有限公司研制ZX1921型号全向移动底盘。

运动控制模块170设置于车架110的中部，在一些实施例中，运动控制模块170可以选用中国电子科技集团公司第二十一研究所研制71104YF运动控制器。运动控制模块170进一步包括协同控制板171和四个差速控制组件172、173、174、175。

在一些实施例中，协同控制板171可以选用中国电科第二十一研究所基于STM32F429芯片作为主控制器研制的协同控制实验板。该协同控制实验板中使用一路CAN口和五路串口同外界进行交互，CAN口借助TJA1050芯片引出以接通外部CAN总线，一路串口借助RS485芯片接入外部485总线，其余四路串口直接和解码模块相连。另外，可以采用LM1117芯片转化5V电压得到3.3V供各通讯芯片使用，板载IMU9250芯片作为惯导模块提供相关姿态信息，并基于板载IIC总线和主控MCU相连。

四个差速控制组件172、173、174、175可以选用中国电科第二十一研究所基TMS320F28335芯片和瑞士MAXONEPOS4驱动器设计的差速控制运动实验组件(组件型号71104YFCS)。四个差速控制组件172、173、174、175包括左前侧差速控制组件172、右前侧差速控制组件173、左后侧差速控制组件174和右后侧差速控制组件175。

协同控制板171和四个差速控制组件172、173、174、175之间存在通讯连接。协同控制板171还包括一路串口信息发送接口，一路串口信息发送接口可以同时与四个差速控制组件172、173、174、175通讯连接。

四个差速模块120、130、140、150为分别位于智能全向差速运动单元100的左前侧、右前侧、左后侧和右后侧的左前侧差速模块120、右前侧差速模块130、左后侧差速模块140和右后侧差速模块150。左前侧差速模块120、右前侧差速模块130、左后侧差速模块140和右后侧差速模块150分别以左右对称、前后对称的方式设置于智能全向差速运动单元100的车架110的底部，且四个差速模块120、130、140、150的中心点围绕智能全向差速运动单元100的中心形成中心对称关系。四个差速模块120、130、140、150分别通过一根转轴可旋转地与车架110相连，每根转轴的顶端均安装有一个绝对值角度传感器160，绝对值角度传感器160用于获得差速模块的角度位置信息。在本实施例中，绝对值角度传感器160为旋转变压器。具体的说，旋转变压器可以选用日本多摩川精机株式会社的TS2620N21E11旋变解码传感器。四个差速模块120、130、140、150分别包括左轮和右轮，在如图1所示的实施例中，四个差速模块120、130、140、150选用相同型号的差速模块，且具有相同的左右轮间距B。在一些实施例中，差速模块可以选用上海音锋机器人股份有限公司研制的110700型双轮差速模组。

四个差速控制组件172、173、174、175与四个差速模块120、130、140、150之间存在通讯连接，且四个差速控制组件172、173、174、175用于控制四个差速模块120、130、140、150。在一些实施例中，差速控制组件用于控制对应位置的差速模块。具体的说，左前侧差速控制组件172用于控制左前侧差速模块120、右前侧差速控制组件173用于控制右前侧差速模块130、左后侧差速控制组件174用于控制左后侧差速模块140，右后侧差速控制组件175用于控制右后侧差速模块150。

该种智能全向差速运动单元100的控制方法框架图如图2所示，控制方法包括：

通过协同控制板171接收全向运动任务，全向运动任务包含角速度指令值ω、线速度指令值ν和线速度的航向姿态角指令值θ，用(ω,ν,θ)表示。在一些实施例中，当让智能全向差速运动单元100以沿左前方45度角，按0.5m/s的线速度斜向直行，则ω＝0，ν＝0.5m/s，θ＝π/4。在另一些实施例中，当让智能全向差速运动单元100以每秒30度角速度原地自传，则ω＝π/6，ν＝0m/s，θ＝0。

通过协同控制板171基于全向运动任务(ω,ν,θ)确定智能全向差速运动单元100的运动瞬心，并确定智能全向差速运动单元100中四个差速模块120、130、140、150各自相应的运动协同信息，运动协同信息包括协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速。下面结合图3对相关运动协同信息的计算方法进行详细说明。

具体来说，为便于数值化描述全向运动任务、及各速差速模块的运动协同信息及控制方式，以智能全向差速运动单元100的中心为原点O建立平面坐标系{R}，X轴指向智能全向差速运动单元100的前侧，Y轴指向智能全向差速运动单元100的左侧。

将智能全向差速运动单元100的运动瞬心定义为四个差速模块120、130、140、150的公共旋转中心，公共旋转中心坐标定义为O_t(x_t,y_t)。

并定义左前侧差速模块120的中心点为O₁，右前侧差速模块130的中心点为O₂，左后侧差速模块140的中心点为O₃,右后侧差速模块150的中心点为O₄。定义左前侧差速模块120的中心坐标为O₁(a,b)，右前侧差速模块130的中心坐标为O₂(a,-b)，左后侧差速模块140的中心坐标为O₃(-a,b),右后侧差速模块150的中心坐标为O₄(-a,-b)。a表示O₁和O₃距离值的一半，b表示O₁和O₄距离值的一半。在如图1所示的实施例中，a的值为477mm，b的值为322mm。但需要注意的是，此处给出的值仅为示例作用，不构成对a和b的值的限定，a和b的值可以为满足条件的任意数。

左前侧差速模块120的运动协同信息可以表达为(θ₁,V_L1,V_R1)，右前侧差速模块130的运动协同信息可以表达为(θ₂,V_L2,V_R2)，左后侧差速模块140的运动协同信息可以表达为(θ₃,V_L3,V_R3)，右后侧差速模块150的运动协同信息可以表达为(θ₄,V_L4,V_R4)。其中，θ₁、θ₂、θ₃和θ₄为四个差速模块120、130、140、150的协同姿态角，V_L1、V_L2、V_L3和V_L4为四个差速模块120、130、140、150的左轮协同航速，V_R1、V_R2、V_R3和V_R4为四个差速模块120、130、140、150的右轮协同航速。

智能全向差速运动单元100的运动瞬心和四个差速模块120、130、140、150各自相应的运动协同信息的确定方法如下：

当全向运动任务包含角速度指令值ω为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)在无穷远处，四个差速模块120、130、140、150各自相应的运动协同信息分别符合下列公式：

θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ；

v_L1＝v_L2＝ν_L3＝ν_L4＝v；

v_R1＝v_R2＝v_R3＝v_R4＝v。

当全向运动任务包含角速度指令值ω不为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)符合下列公式：

此时，四个差速模块120、130、140、150各自相应的协同姿态角符合下列公式：

式中，

和

分别为四个差速模块120、130、140、150各自相应的由绝对值角度传感器求出的初始协同姿态角。

四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮协同航速分别符合下列公式：

四个差速模块120、130、140、150各自相应的右轮协同航速分别符合下列公式：

获得四个差速模块120、130、140、150各自相应的角度信息，具体地说角度信息可以是朝向角信息。在如图1所示的实施例中，即通过绝对值角度传感器160获得的四个差速模块120、130、140、150的朝向角信息。为便于方案描述，用S₁表示左前侧差速模块120相对于智能全向差速运动单元100，S₂表示右前侧差速模块130相对于智能全向差速运动单元100的朝向角度，S₃表示左后侧差速模块140相对于智能全向差速运动单元100的朝向角度，S₄表示右后侧差速模块150相对于智能全向差速运动单元100的朝向角度。

基于四个差速模块120、130、140、150各自相应的角度信息以及运动协同信息，确定四个差速模块120、130、140、150各自相应的运动控制任务，运动控制任务包括差速调整角、左轮基准轮速和右轮基准轮速。

左前侧差速模块120的运动控制任务可以表达为(Δθ₁,ΔV_L1,ΔV_R1)，右前侧差速模块130的运动控制任务可以表达为(Δθ₂,ΔV_L2,ΔV_R2)，左后侧差速模块140的运动控制任务可以表达为(Δθ₃,ΔV_L3,ΔV_R3)，右后侧差速模块150的运动控制任务可以表达为(Δθ₄,ΔV_L4,ΔV_R4)。其中，Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃和Δθ₄为四个差速模块120、130、140、150的差速调整角，ΔV_L1、ΔV_L2、ΔV_L3和ΔV_L4为四个差速模块120、130、140、150的左轮基准轮速，ΔV_R1、ΔV_R2、ΔV_R3和ΔV_R4为四个差速模块120、130、140、150的右轮基准轮速。

四个差速模块120、130、140、150各自相应的差速调整角分别符合下列公式：

Δθ₁＝θ₁-S₁；

Δθ₂＝θ₂-S₂；

Δθ₃＝θ₃-S₃；

Δθ₄＝θ₄-S₄。

而四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速根据四个差速模块120、130、140、150各自相应的差速调整角确定。

具体的说，当四个差速模块120、130、140、150各自相应的差速调整角中至少一个差速调整角的绝对值超过预设上限阈值T_max时，四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速均为0，即：

Δv_L1＝Δv_L2＝Δv_L3＝Δv_L4＝0；

Δv_R1＝Δv_R2＝Δv_R3＝Δv_R4＝0；

上限阈值T_max的值可以为0.174rad，即10°。但需要注意的是，此处给出的值仅为示例作用，不构成对对其的限定，该值可以为满足条件的任意数，例如：8°，15°或20°。

当四个差速模块120、130、140、150各自相应的差速调整角的绝对值均小于预设下限阈值T_min时，四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速为相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速，即：

Δν_L1＝ν_L1；Δν_L2＝ν_L2；Δν_L3＝ν_L3；Δν_L4＝ν_L4；

Δν_R1＝ν_R1；Δν_R2＝ν_R2；Δν_R3＝ν_R3；Δν_R4＝ν_R4。

下限阈值T_min的值可以为0.0174rad，即1°。但需要注意的是，此处给出的值仅为示例作用，不构成对对其的限定，该值可以为满足条件的任意数，例如：0.5°，2°或5°。

当四个差速模块120、130、140、150各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速在相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上按缩减比例λ等比例减小。

缩减比例λ符合下列公式：

式中，Δθmax为四个差速模块120、130、140、150各自相应的差速调整角的绝对值中的最大差速调整角的绝对值。

四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮基准轮速分别符合下列公式：

Δν_L1＝λν_L1；Δν_L2＝λν_L2；Δν_L3＝λν_L3；Δν_L4＝λν_L4。

四个差速模块120、130、140、150各自相应的右轮基准轮速分别符合下列公式：

Δν_R1＝λν_R1；Δν_R2＝λν_R2；Δν_R3＝λν_R3；Δν_R4＝λν_R4。

将四个差速模块120、130、140、150各自相应的运动控制任务发送至相应的四个差速控制组件172、173、174、175。在如图1所示的实施例中，协同控制板171通过同一路信息通讯发送接口同时连接四个差速控制组件172、173、174、175的信息通讯接收接口，每当计算出四个差速模块120、130、140、150的运动控制任务后,将四组运动控制任务集合成一整个数据帧包发出，包括{帧头，(Δθ₁,ΔV_L1,ΔV_R1),(Δθ₂,ΔV_L2,ΔV_R2),(Δθ₃,ΔV_L3,ΔV_R3),(Δθ₄,ΔV_L4,ΔV_R4),帧尾}。左前侧差速控制组件172读取完一整个数据帧包，提取出左前侧差速模块120运动控制任务(Δθ₁,ΔV_L1,ΔV_R1)，右前侧差速控制组件173读取完一整个数据帧包，提取出右前侧差速模块130运动控制任务(Δθ₂,ΔV_L2,ΔV_R2)，左后侧差速控制组件174读取完一整个数据帧包，提取出左后侧差速模块140运动控制任务(Δθ₃,ΔV_L3,ΔV_R3)，右后侧差速控制组件175读取完一整个数据帧包，提取出右后侧差速模块150运动控制任务(Δθ₄,ΔV_L4,ΔV_R4)。此种采用共同的帧头和帧尾的广播和读取数据帧包的形式，有助于提高各差速控制组件提取和执行运动控制任务的协同性。

通过四个差速控制组件172、173、174、175基于各自相应的运动控制任务并将四个差速控制组件172、173、174、175各自相应的差速调整角作为误差量采用PD运算公式确定至少四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮轮速和右轮轮速。

左前侧差速模块120的左轮轮速和右轮轮速可以表达为(Δν_L1 ^*,Δν_R1 ^*)，右前侧差速模块130的左轮轮速和右轮轮速可以表达为(Δν_L2 ^*,Δν_R2 ^*)，左后侧差速模块140的左轮轮速和右轮轮速可以表达为(Δν_L3 ^*,Δν_R3 ^*)，右后侧差速模块150的左轮轮速和右轮轮速可以表达为(Δν_L4 ^*,Δν_R4 ^*)。其中，Δν_L1 ^*、Δν_L2 ^*、Δν_L3 ^*和Δν_L4 ^*为四个差速模块120、130、140、150的左轮轮速，Δν_R1 ^*、Δν_R2 ^*、Δν_R3 ^*和Δν_R4 ^*为四个差速模块120、130、140、150的右轮轮速。

四个差速模块120、130、140、150各自相应的左轮轮速和右轮轮速分别符合如下公式：

式中，ΔE₁、ΔE₂、ΔE₃和ΔE₄分别为四个差速模块120、130、140、150各自的总体速度，P为四个差速模块120、130、140、150的航向修正比例系数，D为四个差速模块120、130、140、150的航向修正微分系数，

和

分别为四个差速模块120、130、140、150各自的时间微分项。

在本实施例中，四个差速模块120、130、140、150的航向修正比例系数P为156/s，四个差速模块120、130、140、150的航向修正微分系数D为320，四个差速模块120、130、140、150的左右轮间距为110mm。但需要注意的是，此处给出的值仅为示例作用，不构成对其的限定，上述值可以为满足条件的任意数。

通过四个差速控制组件172、173、174、175控制四个差速模块120、130、140、150的左轮和右轮完成运动。

通过上述描述可知，当多个差速模块各自相应的差速调整角中至少一个差速调整角的绝对值超过预设上限阈值T_max时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速均为0。此时，多个差速控制组件控制各差速模块原地调整航向以缩小差速调整角Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃和Δθ₄的绝对值，即减小协同姿态偏差。

当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速在相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上等比例减小，此时，控制各差速模块在低速航行的同时减小协同姿态偏差。

当多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于预设下限阈值T_min时，多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速为相应的运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速，即控制各差速模块在按给定协同航速移动，从而完成全向差速运动单元的运动控制。

本发明涉及的一种智能全向差速运动单元的控制方法，可以利用一个协同控制板接收全向运动指令，并分解出多个差速模块协同作业任务，根据航向状态计算运动协同信息，指导多个差速控制组件协同控制各差速模块实时修正左右轮速进行差速运动，修正航向和航速，并执行全向运动任务。整体方案灵活易用，为新型仓储物流全向差速运动单元的应有提供技术支撑。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能全向差速运动单元，其特征在于，所述运动单元包括：车架、运动控制模块和多个差速模块；

所述运动控制模块设置于所述车架上，所述运动控制模块包括协同控制板和多个差速控制组件，所述协同控制板和所述多个差速控制组件之间存在通讯连接，所述多个差速控制组件与所述多个差速模块之间存在通讯连接，且所述多个差速控制组件用于控制所述多个差速模块；

所述多个差速模块分别可旋转地与所述车架相连，所述多个差速模块分别包括左轮和右轮；

其中，所述多个差速模块中的至少两个差速模块和所述车架的旋转中心上设置有绝对值角度传感器，所述绝对值角度传感器用于获得所述至少两个差速模块的角度位置信息。

2.根据权利要求1所述的智能全向差速运动单元，其特征在于，所述多个差速模块包括分别以左右对称、前后对称的方式设置于所述智能全向差速运动单元底部左前侧、右前侧、左后侧和右后侧的四个差速模块。

3.根据权利要求1所述的智能全向差速运动单元，其特征在于，所述绝对值角度传感器为旋转变压器。

4.根据权利要求1所述的智能全向差速运动单元，其特征在于，所述协同控制板包括一路串口信息发送接口，所述一路串口信息发送接口同时与所述多个差速控制组件通讯连接。

5.一种用于智能全向差速运动单元的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

(a)接收全向运动任务；

(b)基于所述全向运动任务确定所述智能全向差速运动单元的运动瞬心，并确定所述智能全向差速运动单元中多个差速模块各自相应的运动协同信息，所述运动协同信息包括协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速；

(c)获得所述多个差速模块各自相应的角度信息；

(d)基于所述多个差速模块各自相应的角度信息以及所述运动协同信息，确定所述多个差速模块各自相应的运动控制任务，所述运动控制任务包括差速调整角、左轮基准轮速和右轮基准轮速；

(e)将所述多个差速模块各自相应的运动控制任务发送至相应的多个差速控制组件；

(f)通过所述多个差速控制组件基于所述运动控制任务确定所述多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速；

(g)通过所述多个差速控制组件控制所述多个差速模块的左轮和右轮完成运动；

其中，在步骤(d)中，所述多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速根据所述多个差速模块各自相应的差速调整角确定：

当所述多个差速模块各自相应的差速调整角中至少一个差速调整角的绝对值超过预设上限阈值T_max时，所述多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速均为0；

当所述多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于预设下限阈值T_min时，所述多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别为相应的所述运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速；

当所述多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，所述多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别在相应的所述运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上等比例减小。

6.根据权利要求5所述的用于智能全向差速运动单元的控制方法，其特征在于，所述全向运动任务包含角速度指令值ω、线速度指令值ν和线速度的航向姿态角指令值θ，其中，所述多个差速模块各自相应的所述运动协同信息中的协同姿态角、左轮协同航速和右轮协同航速的计算方法为：

以所述智能全向差速运动单元的中心为原点O建立平面坐标系{R}，X轴指向所述智能全向差速运动单元的前侧，Y轴指向所述智能全向差速运动单元的左侧；

将所述多个差速模块中第n个差速模块的中心坐标定义为O_n(a,b)；

将所述智能全向差速运动单元的运动瞬心定义为所述多个差速模块的公共旋转中心，所述公共旋转中心坐标定义为O_t(x_t,y_t)；

当全向运动任务包含角速度指令值ω为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)在无穷远处，所述多个差速模块各自相应的协同姿态角符合公式(1)：

θ_n＝θ (1)；

所述多个差速模块各自相应的左轮协同航速符合公式(2)：

ν_Ln＝ν (2)；

所述多个差速模块各自相应的右轮协同航速符合公式(3)：

ν_Rn＝ν (3)；

当全向运动任务包含角速度指令值ω不为0时，公共旋转中心O_t(x_t,y_t)符合公式(4)：

所述多个差速模块各自相应的协同姿态角符合公式(5)：

所述多个差速模块各自相应的左轮协同航速符合公式(6)：

所述多个差速模块各自相应的右轮协同航速符合公式(7)：

在公式(1)至公式(7)中，θ_n为第n个差速模块的协同姿态角，ν_Ln为第n个差速模块的左轮协同航速，ν_Rn为第n个差速模块的右轮协同航速，

为第n个差速模块的由绝对值角度传感器求出的初始协同姿态角，B_n为第n个差速模块的左右轮之间的间距。

7.根据权利要求5所述的用于智能全向差速运动单元的控制方法，其特征在于，在步骤(c)中获得的所述多个差速模块各自相应的角度信息为所述多个差速模块各自相应的朝向角信息；其中，在步骤(d)中所述多个差速模块各自相应的运动控制任务中的差速调整角符合公式(8)：

Δθ_n＝θ_n-S_n (8)；

式中，Δθ_n为第n个差速模块的差速调整角，θ_n为第n个差速模块的协同姿态角，S_n为第n个差速模块的朝向角信息。

8.根据权利要求5所述的用于智能全向差速运动单元的控制方法，其特征在于，在步骤(d)中，当所述多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值均小于或等于预设上限阈值T_max且大于或等于预设下限阈值T_min时，所述多个差速模块各自相应的左轮基准轮速和右轮基准轮速分别在相应的所述运动协同信息中的左轮协同航速和右轮协同航速的基础上按缩减比例λ等比例减小，所述缩减比例λ符合公式(9)：

所述多个差速模块各自相应的左轮基准轮速符合公式(10)：

Δν_Ln＝λν_Ln (10)；

所述多个差速模块各自相应的右轮基准轮速符合公式(11)：

Δν_Rn＝λν_Rn (11)；

在公式(9)至公式(11)中，Δθmax为所述多个差速模块各自相应的差速调整角的绝对值中的最大差速调整角的绝对值，Δν_Ln为第n个差速模块的左轮基准轮速，Δν_Rn为第n个差速模块的右轮基准轮速，ν_Ln为第n个差速模块的左轮协同航速，ν_Rn为第n个差速模块的右轮协同航速。

9.根据权利要求5所述的用于智能全向差速运动单元的控制方法，其特征在于，在步骤(e)中，通过协同控制板将所述多个差速模块各自相应的运动控制任务集合成一个数据帧包，并由同一路信息通讯将所述数据帧包发送至相应的多个差速控制组件，所述多个差速控制组件分别从所述数据帧包提取出各自相应的运动控制任务。

10.根据权利要求5所述的用于智能全向差速运动单元的控制方法，其特征在于，在步骤(f)中，通过所述多个差速控制组件基于各自相应的运动控制任务并将所述多个差速控制组件各自相应的差速调整角作为误差量采用PD运算公式确定所述至少多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速，所述多个差速模块各自相应的左轮轮速和右轮轮速符合公式(12)：

式中：ΔE_n为第n个差速模块的总体速度，P为所述多个差速模块航向修正比例系数，D为所述多个差速模块航向修正微分系数，

为第n个差速模块差速调整角的时间微分项，Δθ_n为第n个差速模块的差速调整角，Δν_Ln ^*为第n个差速模块的左轮转速，Δν_Rn ^*为第n个差速模块的右轮转速，Δν_Ln为第n个差速模块的左轮基准轮速，Δν_Rn为第n个差速模块的右轮基准轮速，B_n为第n个差速模块的左右轮之间的间距。

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