CN112319236A - 移动机器人底盘的运动控制方法以及移动机器人底盘 - Google Patents

移动机器人底盘的运动控制方法以及移动机器人底盘 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种移动机器人底盘的运动控制方法以及移动机器人底盘，其中方法包括：获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；获得前轮的转向角度；将根据转动角速度、转动角度和底盘运动学模型计算获得的底盘转向角速度和底盘前进速度，输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过构建的底盘测量模型确定；根据目标转向角速度与修正后的底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的底盘前进速度的偏差，调整底盘运动。通过底盘运动学模型和通过底盘测量模型确定的测量矩阵来构建卡尔曼滤波器，提高了底盘运动控制的精确度。

Description

移动机器人底盘的运动控制方法以及移动机器人底盘
技术领域
本申请实施例涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种移动机器人底盘的运动控制方法、装置、设备、介质以及移动机器人底盘。
背景技术
移动机器人是自动执行工作的机器装置，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合***。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。
移动机器人底盘是移动机器人的重要组成部分，其直接影响移动机器人运行的稳定性、准确性和可靠性。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中因运动检测误差而容易引起移动机器人底盘运动的控制误差，从而导致移动机器人底盘的运动控制精准度低。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种移动机器人底盘的运动控制方法、装置、设备、介质以及移动机器人底盘，其可利用测量信息的冗余，减少机器人底盘的检测误差，降低检测误差引起的控制误差，提高底盘运动控制的精确度。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种移动机器人底盘的运动控制方法，包括如下步骤：
获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；
根据所述前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度；
根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，计算获得底盘转向角速度和底盘前进速度；
将所述底盘转向角速度、所述底盘前进速度以及所述两个后轮的转动角速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过构建的底盘测量模型确定；
根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差；
根据所述控制误差，调整底盘运动。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种移动机器人底盘的运动控制装置，包括：
底盘状态获取模块，用于获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；
前轮转向角度获取模块，用于根据前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度。
底盘状态计算模块，用于根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，计算获得底盘转向角速度和底盘前进速度；
状态修正模块，用于将所述底盘转向角速度、所述底盘前进速度以及所述两个后轮的转动角速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过构建的底盘测量模型确定；
控制误差计算模块，用于根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差；
控制模块，用于根据所述控制误差，调整底盘运动。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种移动机器人底盘，包括底盘框架、前桥部分和后桥部分；
所述前桥部分包括前桥固定结构、两个前轮、前轮转向驱动机构和转向联动机构；所述前桥固定结构安装在所述底盘框架的下侧面并位于所述底盘框架的前部；两个所述前轮转动固定在所述前桥固定结构的两端；所述前轮转向驱动机构通过所述转向联动机构与两个所述前轮连接；所述前轮转向驱动机构包括前轮转向驱动电机；
所述后桥部分包括后桥固定结构、后轮驱动机构、悬挂机构和两个后轮；所述后桥固定结构固定在所述底盘框架的下侧面并位于所述底盘框架的后部；所述两个后轮转动固定在所述后桥固定结构的两端；所述后轮驱动机构通过所述悬挂机构与两个所述后轮连接；
还包括运动测控设备，所述运动测控设备包括至少两个旋转编码器、至少一个转向编码器和至少一个控制器；两个所述旋转编码器分别固定在两个所述后轮上，并获得两个所述后轮的转动角速度；所述转向编码器固定在所述前轮转向驱动电机上，并获得所述前轮转向驱动电机的转向角度；所述控制器加载并执行上述任意一项所述的移动机器人底盘的运动控制方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种电子设备，包括：处理器和存储器；其中，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行上述任意一项所述的移动机器人底盘的运动控制方法。
根据本申请实施例的第五方面，提供一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的移动机器人底盘的运动控制方法。
本申请通过底盘运动学模型，将直接测量获得的所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换为无法直接测量的底盘前进速度和底盘转向角速度；同时，通过底盘测量模型确定的测量矩阵来构建卡尔曼滤波器，从而将根据底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度获得的数据进行融合，利用了测量信息的冗余，减少机器人底盘的机械误差、轮胎滑移、外部扰动等的检测误差，提高了底盘状态检测的精确性，可降低检测误差引起的控制误差，提高了底盘运动控制的精确度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例示出的移动机器人底盘的主视图；
图2为本申请实施例示出的移动机器人底盘的侧视图；
图3为本申请实施例示出的移动机器人底盘的部分剖视结构示意图
图4为本申请实施例示出的移动机器人底盘的运动控制方法的流程图；
图5为本申请实施例示出的移动机器人底盘的运动控制方法的原理图；
图6为本申请实施例示出的确定底盘前进速度和底盘转向角度的方法的流程图；
图7为本申请实施例示出的底盘运动学模型和底盘测量模型的结构示意图；
图8为本申请实施例示出的确定控制偏差的方法的流程图；
图9为本申请实施例示出的移动机器人底盘的运动控制装置的结构示意图；
图10为本申请实施例示出的底盘状态计算模块的结构示意图；
图11为本申请实施例示出的状态修正模块的结构示意图；
图12为本申请实施例示出的电子设备的结构示意图；
图13为本申请实施例示出的转向联动机构的结构示意图；
图14为本申请实施例示出的后桥部分的结构示意图；
图15为本申请实施例示出的前轮状态调整机构的斜视图；
图16为本申请实施例示出的前轮状态调整机构的侧部的剖视图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在此所使用的词语“如果”/“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
请同时参阅图1至图3，图1为本申请实施例示出的移动机器人底盘的主视图；图2为本申请实施例示出的移动机器人底盘的侧视图；图3为本申请实施例示出的移动机器人底盘的部分剖视结构示意图。所述移动机器人底盘的运动控制方法的应用环境包括移动机器人底盘1000。所述移动机器人底盘可以应用于安保机器人、清洁机器人等移动机器人上。所述移动机器人底盘包括底盘框架1100、前桥部分1200、后桥部分1300和运动测控设备1400。
所述底盘框架1100作为整个底盘的主体结构，是其他零部件的安装基座。所述前桥部分1200安装在所述底盘框架1100的前部，所述后桥部分1300安装在所述底盘框架1100的后部。
所述前桥部分1200用于负责控制底盘的转向。具体的，所述前桥部分1200包括前桥固定结构1210、两个前轮1220、前轮转向驱动机构1230和转向联动机构1240；所述前桥固定结构1210安装在所述底盘框架1100的下侧面并位于所述底盘框架1100的前部；两个所述前轮1220转动固定在所述前桥固定结构1210的两端；所述前轮转向驱动机构1230通过所述转向联动机构1240与两个所述前轮1220连接；所述前轮转向驱动机构1230包括前轮转向驱动电机1232，以驱动两个所述前轮1220转动。
所述后桥部分1300包括后桥固定结构1310、后轮驱动机构1320、悬挂机构1330和两个后轮1340；所述后桥固定结构1310固定在所述底盘框架1100的下侧面并位于所述底盘框架1100的后部；所述两个后轮1340转动固定在所述后桥固定结构1310的两端；所述后轮驱动机构1320通过所述悬挂机构1330与两个所述后轮1340连接。
所述运动测控设备1400包括至少两个旋转编码器1410、至少一个转向编码器1420和至少一个控制器1430；两个所述旋转编码器1410分别固定在两个所述后轮1340上，并获得两个所述后轮1340的转动角速度；所述转向编码器1420固定在所述前轮转向驱动机构1230上，并获得所述前轮转向驱动机构1230的转动角度；所述控制器1430可以包括一个或者多个处理核心，其可以用于通过前轮转向驱动机构1230和后轮驱动机构1320分别控制所述前轮1220和所述后轮1340的运动，同时，其可以通过纯软件的方式实现本申请移动机器人底盘的运动控制方法，也可以采用软硬件结合的方式实现本申请移动机器人底盘的运动控制方法，如可以采用数字信号处理、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列中的至少一种硬件形式来实现；可集成中央处理器、图像处理器和调制解调器等中的一种或几种的组合。所述处理器1440可运行有用于移动机器人底盘的运动控制方法的应用程序，所述应用程序可以是以适应所述处理器1440的形式呈现，例如可以是APP应用程序，在一些例子中，还可以是以例如***插件、网页插件等形式呈现。
实施例1
下面将结合附图1至图8，对本申请实施例提供的一种移动机器人底盘的运动控制方法进行详细介绍。
请参阅图4和图5，所述移动机器人底盘的运动控制方法，包括如下步骤：
步骤S101：获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；
本申请的一个示例性实施例中，在底盘的两个后轮上分别固定有旋转编码器，以获得两个后轮的转动角速度；在底盘前轮转向驱动电机上固定有转向编码器，以获得前轮转向驱动电机的转向角度。
步骤S102：根据前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度。
请参阅图7，发明人在实现本发明的过程中发现：两个前轮的转向角度不同但又是完全相关的，可以由一个转向轮的转向角度推算另一个转向轮的转向角度，因此，构想一个虚拟转向轮，用虚拟转向轮来描述两个前轮的转向运动，即用虚拟转向轮的转向角度作为前轮的转向角度。由于虚拟转向轮的转向角度无法测量，发明人在实现本发明的过程中进一步发现：所述前轮转向驱动电机的运动经过转向联动机构传递到两个前轮的运动存在一一对应的关系，那么，所述前轮转向驱动电机的转向角度和虚拟转向轮的转向角度也存在对应的关系，因此，为了节省编码器，可以通过测量前轮转向驱动电机的转向角度，再通过计算获得虚拟转向轮的转向角度。下面具体阐述构建虚拟转向轮的方法：在底盘运动过程中，两个转向前轮在转向时的偏转角度是不同的，一般在转弯时在外侧的前轮的转向角度较小而在内侧的前轮的转向角度较大；同时，外侧前轮的瞬时转动中心与内侧前轮的瞬时转动中心重合，并且重合点与两个所述后轮的滚动轴线在水平投影面内重合，为此，以重合点作为整个底盘的瞬时转动中心ICC，则所述虚拟转向轮的中心位置在两个转向轮转动轴心连线的中点，高度与两个前轮同时在水平平整地面上的高度一致，虚拟转向轮的方向垂直于由瞬时转动中心ICC及虚拟转向轮转动中心形成的连线方向。本申请实施例近似认为虚拟转向轮的转向角度是两个前轮的转向角度的和的一半，进而以虚拟转向轮的转向角度作为前轮的转向角度。下面具体阐述获得所述前轮转向驱动电机的转向角度和虚拟转向轮的转向角度也存在对应的关系的方法：通过实验的方式在最大左转向到最大右转向之间包括无转向的直线前进，间隔测量一组前轮转向驱动电机的转向角度序列和相应的两个前轮的转向角度序列，由两个前轮的转向角度序列获得相应的虚拟转向轮的转向角度序列，再由转向驱动电机的转向角度序列与虚拟转向轮的转向角度序列获得拟合函数关系或者对应图表关系，本申请实施例中，通过拟合可获得转向驱动电机的转向角度与虚拟转向轮即前轮的转向角度的对应关系如下：
Figure BDA0002742390610000061
从而无需测量两个前轮的转向角度，只需要根据测量的前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，可获得底盘前轮的转向角度。其中，可以通过不同形式类别的拟合函数对转向驱动电机的转向角度序列与虚拟转向轮的转向角度序列进行拟合，获得的转向驱动电机的转向角度与虚拟转向轮即前轮的转向角度的对应关系也会有所区别，但是，这些区别所带来的区别误差，通过后续的卡尔曼滤波器进行融合以后都能够得到整合和降低误差，提高控制移动底盘的精准度。
步骤S103：根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，获得底盘转向角速度和底盘前进速度。
本申请的一个示例性实施例中，由于移动机器人底盘是由后轮提供驱动动力，前轮提供转向控制，因此，所述底盘转向角速度为底盘绕瞬时转动中心ICC的转动角速度；所述底盘前进速度为底盘两个后轮的转动轴向连线的中点所在位置的线速度。需要说明的是，由于底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度的测量过程存在机械误差、轮胎滑移、外部扰动等的状态检测误差，在计算前轮的转向角度时存在近似误差和拟合误差，因此，此处的底盘转向角速度和底盘前进速度并不是底盘实际的转向角速度和底盘前进速度。而正是因为存在这种状态检测误差，因此，本申请需要通过后续的卡尔曼滤波器进行数据的融合，以降低状态检测误差造成的运动控制误差。本申请示例性实施例获得的底盘转向角速度和底盘前进速度实际上是一种运动螺旋，其作为表征底盘的整体运动的数据，可以直观准确地表征底盘的整体运动。
步骤S104：将所述底盘转向角速度和所述底盘前进速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过建立底盘测量模型确定。
本申请实施例通过建立底盘测量模型确定卡尔曼滤波器的测量矩阵，再根据测量矩阵构建的卡尔曼滤波器对所述底盘转向角速度和所述底盘前进速度进行修正，可以利用底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度之间存在的检测信息的冗余，减少机器人底盘的机械误差、轮胎滑移、外部扰动等的状态检测误差，计算前轮的转向角度时存在近似误差和拟合误差，提高状态检测和数据计算的精确性。
步骤S105：根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差。
所述目标转向角速度和所述目标前进速度为上层控制***发送的期望运动指令。所述移动机器人底盘根据所述期望运动指令不断调节运动状态，直至达到期望的运动。
步骤S106：根据所述控制误差，调整底盘运动。
本申请的一个示例性实施例中，通过控制器来直接控制底盘的前轮和底盘的后轮运动，该控制器与电机驱动器连接，所述控制器根据接收的所述控制误差确定前轮转向驱动机构中前轮转向驱动电机的控制量和后轮驱动机构中后轮驱动电机的控制量，并根据所述控制量通过电机驱动器再分别驱动前轮转向驱动电机和后轮驱动电机转动，从而驱动底盘运动。
本申请通过底盘运动学模型，将直接测量获得的所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换为无法直接测量的底盘前进速度和底盘转向角速度；同时，通过底盘测量模型确定的测量矩阵来构建卡尔曼滤波器，从而将根据底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度获得的数据进行融合，利用了测量信息的冗余，减少机器人底盘的机械误差、轮胎滑移、外部扰动等的检测误差，提高了底盘状态检测的精确性，可降低检测误差引起的控制误差，提高了底盘运动控制的精确度。
本申请的一个示例性实施例中，所述根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，计算获得底盘转向角速度和底盘前进速度的步骤，包括：
步骤S1031：根据所述两个后轮的转动角速度，获得底盘前进速度；
步骤S1032：将所述底盘前进速度和所述前轮的转向角度输入到所述底盘运动学模型中，获得底盘转向角速度；
其中，所述底盘前进速度为两个驱动后轮的角速度与后轮半径的乘积的和的一半；所述底盘转向角速度为所述前轮的转向角度的正切值与底盘前进速度的乘积，再与轮距宽度的比值。
具体的，所述底盘前进速度的计算方式为：
Vc＝(VL+VR)/2＝(ωR+ωL)Rw/2；
上述公式中，VC为底盘前进速度；ωR表示底盘右驱动后轮的转动角速度记，ωL为底盘左驱动后轮的转动角速度，VR为底盘右驱动后轮的前进速度；VL为底盘左驱动后轮的前进速度；RW为其中一个驱动后轮的直径，其中，左驱动后轮和右驱动后轮的直径相同。
具体的，所述底盘转向角速度的计算方式为：
ωC＝VC·tan(ΦC)/LWB；
上述公式中，ωC为底盘转向角速度；VC为底盘前进速度；ΦC为前轮的转向角度，
Figure BDA0002742390610000081
LWB为前轮的转动轴和后轮的转动轴的轴距。
通过建立底盘运动学模型，利用数学几何关系将所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换底盘前进速度和底盘转向角速度，从而实现方便快捷直观地获得底盘前进速度和底盘转向角速度。同时，能够将底盘控制的接口标准化为底盘前进速度和底盘转向角速度，从而方便数据的接收和处理。
下面详细介绍底盘运动学模型的构建过程：
关于底盘前进速度VC：由于所述底盘前进速度VC为底盘两个后轮的转动轴向连线的中点所在位置的线速度，则两个所述后轮线速度数值上相加所得结果的一半即可获得两个所述后轮连线在底盘上的中间位置的速度大小即为所述底盘前进速度VC的大小，两个后轮的转动轴向连线的中点与两个所述后轮连线垂直向前的方向即为所述底盘前进速度VC的方向。
关于底盘转向角速度ωC：发明人发现：虽然底盘的两个前轮用于控制底盘的转向，底盘的两个后轮用于提供底盘前进的动力，但是，底盘的两个前轮和两个后轮是相关关联的，两个前轮的转向会影响两个后轮的运动，两个后轮的速度又会影响两个前轮的转向。在底盘运动过程中，两个转向前轮在转向时的偏转角度是不同的，一般在转弯时在外侧的前轮的转向角度较小而在内侧的前轮的转向角度较大；同时，外侧前轮的瞬时转动中心与内侧前轮的瞬时转动中心重合，并且重合点与两个所述后轮的滚动轴线在水平投影面内重合，为此，以重合点作为整个底盘的瞬时转动中心ICC。因为两个前轮的转向角度不同但又是完全相关的，可以由一个前轮的转向角度推算另一个前轮的转向角度，因此构想一个虚拟转向轮，用虚拟转向轮的转向角度代表两个前轮的转向角度即作为前轮的转向角度。所述虚拟转向轮的中心位置在两个转向轮转动轴心连线的中点，高度与两个前轮同时在水平平整地面上的高度一致，虚拟转向轮的方向垂直于由瞬时转动中心ICC及虚拟转向轮转动中心形成的连线方向。由此，利用虚拟转向轮的转向就可以描述两个前轮的转向，进一步使用虚拟转向轮就可以描述移动机器人底盘的转向角度。进一步地，将两个所述前轮的转动轴心、两个所述后轮的轴心、底盘两个前轮的转动轴心连线的中点、两个后轮的转动轴心连线的中点与瞬时转动中心ICC连接可建立所述底盘运动学模型的数学几何关系，进而可获得所述底盘运动学模型的表示方式为：
ΦC＝arctan(LWB·ωC/VC)；
进而获得底盘转向角速度ωC：
ωC＝VC·tan(ΦC)/LWB；
上述公式中，ωC为底盘转向角速度；VC为底盘前进速度；ΦC为前轮的转向角度；LWB为前轮的转动轴和后轮的转动轴的轴距。
在本申请的一个示例性实施例中，所述根据目标转向角速度和修正后的所述转向角速度的偏差、目标前进速度和修正后的所述前进速度的偏差以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动的控制误差的步骤，包括：
步骤S1051：根据目标前进速度和修正后的所述底盘前进速度的偏差，获得底盘后轮的控制误差。
在本申请的示例性实施例中，由于本申请是通过获取底盘两个后轮的转动角速度来计算底盘前进速度的，而底盘两个后轮的转动角速度可以表示底盘后轮的控制状态，因此，根据目标前进速度和修正后的所述底盘前进速度的偏差即为底盘后轮的控制误差。
步骤S1052：将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及底盘后轮的控制误差输入至所述底盘逆运动学模型中，获得底盘前轮的控制误差。
在本申请的示例性实施例中，由于本申请的底盘转向角度根据前轮转向驱动电机的转向角度计算获得的，而前轮的转向角度可以表征底盘前轮的控制状态，因此，根据将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及将底盘后轮的控制误差输入至所述底盘逆运动学模型中，获得的前轮转向驱动电机的转向电机的转向角度的偏差即为底盘前轮的控制误差。
通过底盘逆运动学模型，将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及底盘后轮的控制误差转换为底盘的实际控制误差，从而实现对底盘的方便有效控制。而且能够在底盘控制机构实际能够接收到的控制指令即调整的转向角度和调整的前进速度与上层模块发送给底盘的标准控制指令即目标转向角速度和目标前进速度之间，建立直接的数学关系，使得底盘能够以标准接口接收上层控制指令并转换为底盘控制机构能够执行的控制指令。
所述底盘逆运动学模型是所述底盘运动学模型的逆运算过程，这里不加以赘述。
在本申请的一个示例性实施例中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵为：
Figure BDA0002742390610000101
其中，H表示测量矩阵；RW表示所述后轮的直径；LTW表示两个所述后轮的转动轴心之间的轮距宽度。
通过建立底盘测量模型而构建卡尔曼滤波器中的测量矩阵，进而使构建的卡尔曼滤波器能够更好地融合底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度这三个测量状态数据，从而减少其他环境干扰、运动失稳、轮胎打滑、建模误差等引起的运动控制误差。
下面具体说明如何通过建立的底盘测量模型获得测量矩阵。
由前述可知，将两个所述前轮的转动轴心、两个所述后轮的轴心、底盘两个前轮的转动轴心连线的中点、两个后轮的转动轴心连线的中点与瞬时转动中心ICC连接可建立一底盘运动学模型，在此基础上，当底盘整体在Δt时间内移动时，对各个连接点线的分析，则可建立获得底盘测量模型的数学几何关系，其中，所述底盘测量模型中涉及的运动学和几何学关系如下：
Figure BDA0002742390610000111
上述关系中，ωL和ωR分别表示两个所述后轮的转动角速度；LL和LR分别是两个所述后轮在Δt时间内分别以ωL和ωR转动速度转动时前进的距离；LTW是两个所述后轮的转动轴心之间的轮距宽度；θ是底盘整体在Δt时间内以底盘转向角速度ωC转动的角度，RC是底盘整体转动的瞬时转动半径，其为瞬时转动中心ICC与两个后轮的转动轴心连线的中点之间的距离；RW为所述后轮的直径。
通过对上述方程组进行整理可以获得底盘测量模型的表示方式也即卡尔曼滤波器的测量方程：
Figure BDA0002742390610000112
进而获得测量矩阵H为
Figure BDA0002742390610000113
其中，ωL和ωR分别表示两个所述后轮的转动角速度；RW表示所述后轮的直径；LTW表示两个所述后轮的转动轴心之间的轮距宽度；RW表示所述后轮的直径；VC表示底盘前进速度；ωC表示底盘转向角速度。
进一步地，所述卡尔曼滤波器的状态转移矩阵为2x2的单位矩阵，具体的，所述状态转移矩阵
Figure BDA0002742390610000114
由于所述卡尔曼滤波器涉及的状态变量底盘前进速度VC和底盘转向角速度ωC本身是通过底盘运动学模型直接计算得到的，状态变量未发生变化，因此，所述状态转移矩阵为2x2的单位矩阵。本申请实施例根据状态转移矩阵A和测量矩阵H构建的卡尔曼滤波器，可充分结合移动机器人底盘的特点，通过卡尔曼滤波器进行多数据融合后，可大大降低的机械误差、轮胎滑移、外部扰动等等的状态检测误差。
请参阅图5，下面具体阐述本申请的运动控制过程：
在开始对底盘运动进行控制时，将首次获得的所述底盘转向速度ω0和所述底盘前进速度v0即初始运动螺旋作为初始值，以及两个后轮的转动角速度输入到构建的卡尔曼滤波器后，通过卡尔曼滤波器的状态转移矩阵A进行估值，再通过测量矩阵H进行修正，获得修正后的底盘转向角速度ωC和修正后的底盘前进速度VC即修正运动螺旋。根据修正后的底盘转向角速度ωC和修正后的底盘前进速度VC分别与目标转向角速度ωd和目标前进速度Vd进行差值计算，获得运动螺旋误差(Δω,ΔV)，再将该运动螺旋误差输入至底盘逆运动学模型中，获得底盘的控制误差(Δφ,ΔV)；根据所述控制误差(Δφ,ΔV)获得前轮电机控制量和后轮电机控制量，再通过电机驱动器驱动机器人底盘的前轮转向电机和后轮驱动电机运动，进而调整机器人底盘运动。此时，可获得新的所述底盘转向速度和底盘前进速度，将新的所述底盘转向速度、底盘前进速度和新的两个后轮的转动角速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，卡尔曼滤波器根据上次获得的所述底盘转向速度和所述底盘前进速度即初始的所述底盘转向速度和所述底盘前进速度和状态转移矩阵进行估值，再通过新的两个后轮的转动角速度和测量矩阵进行修正，获得新的修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度，之后再调整移动机器人底盘的运动，以此类推，直至所述底盘转向角速度和所述底盘前进速度均达到目标值。
实施例2
下述为本申请装置实施例，可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请装置实施例中未披露的细节，请参照本申请方法实施例。
请参阅图9，其示出了本申请实施例提供的移动机器人底盘的运动控制装置的结构示意图。本申请实施例提供的移动机器人底盘的运动控制装置200，包括：
底盘状态获取模块210，用于获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；
前轮转向角度获取模块220，用于根据前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度。
底盘状态计算模块230，用于根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，获得底盘转向角速度和底盘前进速度；
状态修正模块240，用于将所述底盘转向角速度和所述底盘前进速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过建立底盘测量模型确定；
控制误差计算模块250，用于根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差；
控制模块260，用于根据所述控制误差，调整底盘运动。
本申请通过底盘运动学模型，将直接测量获得的所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换为无法直接测量的底盘前进速度和底盘转向角速度；同时，通过底盘测量模型确定的测量矩阵来构建卡尔曼滤波器，从而将根据底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度获得的数据进行融合，利用了测量信息的冗余，减少机器人底盘的机械误差、轮胎滑移、外部扰动等的检测误差，提高了底盘状态检测的精确性，可降低检测误差引起的控制误差，提高了底盘运动控制的精确度。
请参阅图10，本申请的一个示例性实施例中，所述底盘状态计算模块230包括：
底盘前进速度计算模块231，用于根据所述两个后轮的转动角速度，获得底盘前进速度；
底盘转向角度计算模块232，用于将所述底盘前进速度和所述前轮的转向角度输入到所述底盘运动学模型中，获得底盘转向角速度；
其中，所述底盘前进速度为两个驱动后轮的角速度与后轮半径的乘积的和的一半；所述底盘转向角速度为所述前轮的转向角度的正切值与底盘前进速度的乘积，再与轮距宽度的比值。
具体的，所述底盘前进速度的计算方式为：
Vc＝(VL+VR)/2＝(ωR+ωL)Rw/2；
上述公式中，VC为底盘前进速度；ωR表示底盘右驱动后轮的转动角速度记，ωL为底盘左驱动后轮的转动角速度，VR为底盘右驱动后轮的前进速度；VL为底盘左驱动后轮的前进速度；RW为其中一个驱动后轮的直径，其中，左驱动后轮和右驱动后轮的直径相同。
具体的，所述底盘转向角速度的计算方式为：
ωC＝VC·tan(ΦC)/LWB；
上述公式中，ωC为底盘转向角速度；VC为底盘前进速度；ΦC为转向前轮的转向角度，
Figure BDA0002742390610000131
LWB为前轮的转动轴和后轮的转动轴的轴距。
通过建立底盘运动学模型，利用数学几何关系将所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换底盘前进速度和底盘转向角速度，从而实现方便快捷直观地获得底盘前进速度和底盘转向角速度。同时，能够将底盘控制的接口标准化为底盘前进速度和底盘转向角速度，从而方便数据的接收和处理。
请参阅图11，本申请的一个示例性实施例中，所述控制误差计算模块250，包括：
后轮控制误差计算模块251，用于根据目标前进速度和修正后的所述底盘前进速度的偏差，获得底盘后轮的控制误差；
前轮控制误差计算模块252，用于将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及底盘后轮的控制误差输入至所述底盘逆运动学模型中，获得底盘前轮的控制误差。
通过底盘逆运动学模型，将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及底盘后轮的控制误差转换为底盘的实际控制误差，从而实现对底盘的方便有效控制。而且能够在底盘控制机构实际能够接收到的控制指令即调整的转向角度和调整的前进速度与上层模块发送给底盘的标准控制指令即目标转向角速度和目标前进速度之间，建立直接的数学关系，使得底盘能够以标准接口接收上层控制指令并转换为底盘控制机构能够执行的控制指令。
实施例3
下述为本申请设备实施例，可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请设备实施例中未披露的细节，请参照本申请方法实施例。
请参阅图12，本申请还提供一种电子设备300，所述电子设备300可以包括：至少一个处理器301、至少一个存储器302，至少一个网络接口303，用户接口304以及至少一个通信总线305。
其中，所述用户接口304主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据，其可以包括显示端和摄像端；所述显示端包括显示层和触控层，所述显示层用于显示经过处理器处理后的数据；所述触控层可以包括：电容屏，电磁屏或红外屏等，一般而言，该触控层可以接收用户通过手指或者输入设备输入的触摸操作或书写操作。可选的，所述用户接口304还可以包括标准的有线接口、无线接口。
其中，所述网络接口303可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。
其中，所述通信总线305用于实现这些组件之间的连接通信。
其中，所述处理器301可以包括一个或者多个处理核心。处理器301利用各种接口和线路连接整个电子设备300内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器302内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器302内的数据，执行电子设备300的各种功能和处理数据。可选的，处理器301可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器301可集成中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作***、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示层所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器301中，单独通过一块芯片进行实现。
其中，存储器302可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。可选的，该存储器302包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。存储器302可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器302可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作***的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器302可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器301的存储装置。如图7所示，作为一种计算机存储介质的存储器302中可以包括操作***、网络通信模块、用户。
所述处理器301可以用于调用存储器302中存储的数据同步显示方法的应用程序，并具体执行以下操作：获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；根据前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度；根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，获得底盘转向角速度和底盘前进速度；将所述底盘转向角速度和所述底盘前进速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过建立底盘测量模型确定；根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差；根据所述控制误差，调整底盘运动。
本申请通过底盘运动学模型，将直接测量获得的所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换为无法直接测量的底盘前进速度和底盘转向角速度；同时，通过底盘测量模型确定的测量矩阵来构建卡尔曼滤波器，从而将根据底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度获得的数据进行融合，利用了测量信息的冗余，减少机器人底盘的机械误差、轮胎滑移、外部扰动等的检测误差，提高了底盘状态检测的精确性，可降低检测误差引起的控制误差，提高了底盘运动控制的精确度。
本申请的一个示例性实施例中，所述处理器301根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，计算获得底盘转向角速度和底盘前进速度时，具体执行以下操作：根据所述两个后轮的转动角速度，获得底盘前进速度；将所述底盘前进速度和所述前轮的转向角度输入到所述底盘运动学模型中，获得底盘转向角速度；其中，所述底盘前进速度为两个驱动后轮的角速度与后轮半径的乘积的和的一半；所述底盘转向角速度为所述前轮的转向角度的正切值与底盘前进速度的乘积，与轮距宽度的比值。
具体的，所述底盘前进速度的计算方式为：
Vc＝(VL+VR)/2＝(ωR+ωL)Rw/2；
上述公式中，VC为底盘前进速度；ωR表示底盘右驱动后轮的转动角速度记，ωL为底盘左驱动后轮的转动角速度，VR为底盘右驱动后轮的前进速度；VL为底盘左驱动后轮的前进速度；RW为其中一个驱动后轮的直径，其中，左驱动后轮和右驱动后轮的直径相同。
具体的，所述底盘转向角速度的计算方式为：
ωC＝VC·tan(ΦC)/LWB；
上述公式中，ωC为底盘转向角速度；VC为底盘前进速度；ΦC为转向前轮的转向角度，
Figure BDA0002742390610000161
LWB为前轮的转动轴和后轮的转动轴的轴距。
通过建立底盘运动学模型，利用数学几何关系将所述两个后轮的转动角速度、所述前轮转向驱动电机的转向角度转换底盘前进速度和底盘转向角速度，从而实现方便快捷直观地获得底盘前进速度和底盘转向角速度。同时，能够将底盘控制的接口标准化为底盘前进速度和底盘转向角速度，从而方便数据的接收和处理。
本申请的一个示例性实施例中，所述处理器301根据目标转向角速度和修正后的所述转向角速度的偏差、目标前进速度和修正后的所述前进速度的偏差以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动的控制误差时，具体执行以下操作：根据目标前进速度和修正后的所述底盘前进速度的偏差，获得底盘后轮的控制误差；将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及底盘后轮的控制误差的控制误差输入至所述底盘逆运动学模型中，获得底盘前轮的控制误差。
通过底盘逆运动学模型，将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及底盘后轮的控制误差转换为底盘的实际控制误差，从而实现对底盘的方便有效控制。而且能够在底盘控制机构实际能够接收到的控制指令即调整的转向角度和调整的前进速度与上层模块发送给底盘的标准控制指令即目标转向角速度和目标前进速度之间，建立直接的数学关系，使得底盘能够以标准接口接收上层控制指令并转换为底盘控制机构能够执行的控制指令。
实施例4
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述指令适于由处理器加载并执行上述所示实施例的方法步骤，具体执行过程可以参见方法所示的具体说明，在此不进行赘述。所述存储介质所在设备可以是个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑等电子设备。
对于设备实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的组件可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中选定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中选定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中选定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
实施例5
下述为本申请移动机器人底盘实施例，其中涉及的控制器可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请移动机器人底盘实施例中未披露的细节，请参照本申请方法实施例。
下面结合请参阅图1至图3、图5以及图13至图16，对本申请实施例提供的一种移动机器人底盘进行详细介绍。
请参阅图1至图3和图5，一种移动机器人底盘1000包括底盘框架1100、前桥部分1200、后桥部分1300和运动测控设备1400。
所述底盘框架1100作为整个底盘的主体结构，是其他零部件的安装基座。所述前桥部分1200安装在所述底盘框架1100的前部，所述后桥部分1300安装在所述底盘框架1100的后部。
所述前桥部分1200用于负责控制底盘的转向。具体的，所述前桥部分1200包括前桥固定结构1210、两个前轮1220、前轮转向驱动机构1230和转向联动机构1240；所述前桥固定结构1210安装在所述底盘框架1100的下侧面并位于所述底盘框架1100的前部；两个所述前轮1220转动固定在所述前桥固定结构1210的两端；所述前轮转向驱动机构1230通过所述转向联动机构1240与两个所述前轮1220连接；所述前轮转向驱动机构1230包括前轮转向驱动电机，以驱动两个前轮1220所述转动。
所述后桥部分1300用于负责为底盘提供动力。具体的，所述后桥部分1300包括后桥固定结构1310、后轮驱动机构1320、悬挂机构1330和两个后轮1340；所述后桥固定结构1310固定在所述底盘框架1100的下侧面并位于所述底盘框架1100的后部；所述两个后轮1340转动固定在所述后桥固定结构1310的两端；所述后轮驱动机构1320通过所述悬挂机构1330与两个所述后轮1340连接。
所述运动测控设备1400包括至少两个旋转编码器1410、至少一个转向编码器1420和至少一个控制器1430；两个所述旋转编码器1410分别固定在两个所述后轮1340上，并获得两个所述后轮1340的转动角速度；所述转向编码器1420固定在所述前轮转向驱动机构1230上，并获得所述前轮转向驱动机构1230的转动角度；所述控制器1430可以包括一个或者多个处理核心，其可以用于通过前轮转向驱动机构1230和后轮驱动机构1320分别控制所述前轮1220和所述后轮1340的运动，同时，其可以通过纯软件的方式实现本申请移动机器人底盘的运动控制方法，也可以采用软硬件结合的方式实现本申请移动机器人底盘的运动控制方法，如可以采用数字信号处理、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列中的至少一种硬件形式来实现；可集成中央处理器、图像处理器和调制解调器等中的一种或几种的组合。所述处理器1440可运行有用于移动机器人底盘的运动控制方法的应用程序，所述应用程序可以是以适应所述处理器1440的形式呈现，例如可以是APP应用程序，在一些例子中，还可以是以例如***插件、网页插件等形式呈现。
在一个示例性实施例中，所述前桥固定结构1210包括前桥框架1211、前桥主梁1212和前桥主梁旋转座1213。所述前桥框架1211固定在所述底盘框架1100的下侧并位于所述底盘框架1100的前部。所述前桥主梁1212通过所述前桥主梁旋转座1213固定在所述前桥框架1211的前端。两个所述前轮1220转动固定在所述前桥主梁1212的两端。
在一个示例性实施例中，所述前轮转向驱动机构1230包括前轮转向驱动电机安装座1231、前轮转向驱动电机1232和前轮电机驱动器1233。所述前轮转向驱动电机安装座1231固定在所述前桥主梁1212的中部。所述前轮转向驱动电机1232固定在所述前轮转向驱动电机1232上，且所述前轮电机驱动器1233的输入端与所述处理器1440的输出端连接，以接收所述处理器1440发送的控制指令；所述前轮电机驱动器1233的输出端与所述前轮转向驱动电机1232连接，以驱动所述前轮转向驱动电机1232转动。所述前轮转向驱动电机1232的旋转轴通过所述转向联动机构1240与两个所述前轮1220连接，以驱动两个所述前轮1220转动。
请参阅图13，在一个示例性实施例中，所述转向联动机构1240包括转向联轴器1241、两个转向机1242、两个转向固定杆1243、转向横拉杆1244、两个转向连杆1245和两个前轮固接杆1246。两个所述转向机1242通过所述转向联轴器1241与所述前轮转向驱动电机1232的旋转轴连接，以将所述前轮转向驱动电机1232的动力和运动传动到两个所述转向机1242。两个所述转向固定杆1243的一端分别铰接在两个所述转向机1242上，两个转向固定杆1243的另一端分别铰接在所述转向横拉杆1244的两端，以将两个转向机1242传递过来的运动和动力传递到所述转向横拉杆1244。在所述转向横拉杆1244的中部铰接有两个所述转向连杆1245，两个所述转向连杆1245分别通过两个所述前轮固接杆1246与两个所述前轮1220连接，以通过两个所述转向连杆1245拉动或推动两个所述转向前轮固接杆1246，进而拉动或推动两个所述前轮1220转动。本申请实施例通过将两个所述转向连杆1245固定在转向横拉杆1244的中间部分，而不是固定在转向横拉杆1244的两端，可以增加两个转向连杆1245的尺寸选择范围，进而可减少转向联动机构1240的设计尺寸限制，同时增加两个转向前轮1220的转向运动的范围。
在一个示例性实施例中，所述后桥固定结构1310包括后桥框架1311；所述后桥框架1311固定在所述底盘框架1100的下侧面并位于所述底盘框架1100的后部。
在一个示例性实施例中，所述后轮驱动机构1320包括后轮驱动电机1321和后轮电机驱动器(图中未示)；所述后轮电机驱动器1322的输入端与所述控制机构1400的输出端连接，以接收所述控制机构1400发送的控制指令；所述后轮电机驱动器的输出端与所述后轮驱动电机1321连接，以驱动所述后轮驱动电机1321转动。所述后轮驱动电机1321的旋转轴通过所述所述悬挂机构1330与两个所述后轮1340连接，以驱动两个所述后轮1340转动。
请参阅图14，所述悬挂机构1330包括两个悬挂转轴1331、两个悬挂拖曳臂1332、两个后桥半轴1333、差速器1334和两个悬挂避震器1335。两个所述悬挂转轴1331分别铰接在所述底盘框架1100的两侧；两个所述悬挂拖曳臂1332的一端分别固定在两个所述悬挂转轴1331上，两个所述悬挂拖曳臂1332的另一端分别通过两个所述悬挂避震器1335固定在所述底盘框架1100上，以使所述悬挂拖曳臂1332可通过所述悬挂避震器1335绕着悬挂避震器1335相对于底盘框架1100转动，且通过这种非独立的避震悬挂，可用于在不平地面行驶或越过障碍物时缓冲冲击和吸收振动。两个所述后桥半轴1333分别与两个所述悬挂拖曳臂1332转动连接，且所述后轮驱动电机1321的旋转轴与所述差速器1334的输入端连接，所述差速器1334的两路输出端分别连接两个所述后桥半轴1333，两个所述后轮1340分别固定在两个所述后桥半轴1333上，以通过所述差速器1334自适应地分配动力给到两个所述后桥半轴1333，进而驱动两个所述后轮1340转动。
在一个示例性实施例中，在一个示例性实施例中，所述悬挂转轴1331在所述底盘框架1100上的铰接点、所述悬挂避震器1335在所述悬挂拖曳臂1332上的铰接点、所述悬挂避震器1335在所述底盘框架1100上的铰接点依序连线形成悬挂角度S，所述悬挂角度S的角度范围为80度至110度。
本申请实施例通过将所述悬挂转轴1331在所述底盘框架1100上的铰接点、所述悬挂避震器1335在所述悬挂拖曳臂1332上的铰接点、所述悬挂避震器1335在所述底盘框架1100上的铰接点依序连线形成的悬挂角度S的角度范围设计在80度至110度范围，进而使两个后桥悬挂避震器的受力处于线性区域，使得两个悬挂避震器1335能够均匀适中的避震效果，更好的缓冲吸振，而且能够有效地抑制地面高低不平引起的底盘整体的颠簸振动，能够有效降低跨越障碍引起的冲击振动。
优选的，在移动机器人底盘未加载负载时，所述悬挂角度的角度范围为80度至85度；在移动机器人底盘加载了负载时，所述悬挂角度的角度范围为85度至95度。由于所述悬挂角度的过度变化，容易使两个后桥悬挂避震器的受力处于非线性区域，进而容易导致因为底盘的负载的不同或者地面高低不平而表现出过软或者过硬的避震效果。本申请实施例通过设置在移动机器人底盘未加载负载时，所述悬挂角度的角度范围为80度至85度；在移动机器人底盘加载了负载时，所述悬挂角度的角度范围为85度至95度，进而可基本保持底盘在实际运行中悬挂角度S处于90度直角附近，进而进一步确保两个悬挂避震器1335的受力处于线性区域，使得两个悬挂避震器1335能够均匀适中的避震效果，减少底盘整体的颠簸振动,而且可以提高两个所述后轮1340的转动角速度和所述前轮1220驱动电机的转向角度的测量精度，减少测量误差，进一步提高底盘运动控制的精度。在本申请的示例性实施例中，悬挂避震器1335为弹簧避震器，本申请的示例性实施例通过调节弹簧避震器的变形长度的限制，进而限制悬挂角度的变化范围，当然，也可以采用其他方式来限制悬挂角度的变化范围，例如增加额外的机械限位等方式，本申请并不加以限制。
请参阅图15和图16，在一个示例性实施例中，所述移动机器人底盘还包括前轮状态调整机构1500；所述前轮状态调整机构1500包括前置自转轴1510、第一前置自转轴座1520、第二前置自转轴座1530、后置自转轴1540和后置自转轴座1550；所述第一前置自转轴座1520、第二前置自转轴座1530、后置自转轴座1550沿着与所述前桥主梁1212垂直的方向依序固定在所述前桥框架1211上，所述前置自转轴1510两端分别通过所述第一前置自转轴座1520和所述第二前置自转轴座固定，所述后置自转轴1540通过所述后置自转轴座1550固定，且所述第一前置自转轴座1520的中心轴、第二前置自转轴座1530的中心轴、后置自转轴座1550的中心轴在同一直线上形成前桥自转轴1560。优选的，所述第一轴承座1253的中心轴、所述第二轴承座1254的中心轴和所述第三轴承座1255的中心轴与所述前桥框架1211的中心线重合。所述前置自转轴1510上位于所述第一前置自转轴座1520和所述第二前置自转轴座1530之间的外露部分套设有所述前桥主梁旋转座1213；所述后置自转轴1540外露于所述后置自转轴座1550的部分套设有所述转向电机安装座1231，进而使固定在所述转向电机安装座1231上的前轮转向驱动电机1232、与转向电机连接的转向机1242、固定在所述主梁上的两个前轮1220可以随着前置自转轴1510和后置自转轴1540一起相对于第一前置自转轴座1520、第二前置自转轴座1530、后置自转轴座1550作自适应转动，进而使被动适应地面的两个前轮，在遇到地面不平时，仍然可以保持着地状态，再配合两个后轮因自身重量始终压置于不平的地面上，从而使得底盘的四个轮子始终保持同时着地，进而实现底盘的平稳移动。而所述前桥主梁旋转座1213、前置自转轴1510、第一前置自转轴座1520以及第二前置自转轴座1530组成了一个转动副；所述转向电机安装座、后置自转轴1540以及后置自转轴座1550组成了另一个转动副，前后各一个转动副可以使前桥转动部分具有更好的受力结构。
进一步地，所述前置自转轴1510的直径比所述后置自传轴的直径大；所述第一前置自传轴座、第二前置自转轴座1530的直径均比后置自传轴座的直径大。由于转向联动机构1240的转向部分在底盘运行过程中，除了承受各个方向的作用力如冲击和振动之外，还会因为这些作用力相对于前置自转轴1510中心的偏距形成各个方向的作用力矩，而前置自转轴1510主要承受作用力，利用后置自转轴1540主要抵消作用力矩，再通过前置自转轴1510、第一前置自转轴座1520、第二前置自转轴座1530组成的转动副直接承受垂直、纵向和横向作用力，以承担前桥部分1200受力的主体，因此前置自转轴1510、第一前置自传轴座和第二前置自转轴座1530的直径较大。而后置自转轴1540、后置自转轴座1550组成的转动副主要抵消不平衡作用力产生的作用力矩，用以避免前桥部分1200特别是前置自转轴1510的弯曲破坏，即后置自转轴1540、后置自转轴座1550组成的转动副相对前置对应部分受力较少，因此，所述后置自传轴和后置自传轴座的直径较小。而通过两个不同直径的自传轴和自传轴座的相互配合，提高了前桥部分1200的整体强度，可有效避免转向部分的转向机1242构的形变、扭曲和振动等问题。
在一个示例性实施例中，两个所述前轮1220的半径均小于两个所述后轮1340的半径。发明人在实现发明的过程中发现：通过对两个所述前轮1220的越障能力和两个所述后轮1340的越障能力的分析和计算，可知两个所述后轮1340的半径和两个所述前轮1220的半径相同时，两个所述前轮1220的越障能力强于两个驱动后轮1340的越障能力，而当两个所述前轮1220的半径均小于两个所述后轮1340的半径，具体如两个所述后轮1340的大小相同，半径都记为RW，两个所述前轮1220的大小相同，半径都记为rw，RW>rw，则两个所述前轮1220和两个所述后轮1340可以获得相同的越障能力，为此设计为两个所述前轮1220的半径均小于两个所述后轮1340的半径，以避免两个所述前轮1220越过障碍物后，而两个所述后轮1340无法越过造成底盘卡死而致使底盘无法前进的情况。同时，两个所述前轮1220的半径均小于两个所述后轮1340的半径，可以使两个所述前轮1220受到的转向阻力矩减小，有利于提高底盘转向控制的灵活性。
在一个示例性实施例中，还包括用于检测障碍物的接触传感器1600；所述接触传感器1600的输出端与所述处理器1440连接，以将检测到的无法跨越的障碍物的信息传送到所述处理器1440，所述处理器1440根据无法跨越障碍信息向后轮电机驱动器1322发出停转或后退的指令，由后轮电机驱动器1322直接驱动所述后轮驱动电机1321停转或后退。所述接触传感器安装在两个所述前轮1220的最大可越障高度和两个所述后轮1340的最大可越障高度之间的较小值。具体的，在本申请的示例性实施例中，由于两个所述前轮1220的半径均小于两个所述后轮1340的半径，两个所述前轮1220和两个所述后轮1340具有一致的越障高度，因此，为了有效检测障碍物，对无法跨越的障碍物提前预警，在本申请的示例性实施例中，所述接触传感器固定在所述前桥框架上并设置在所述前轮的前方，且所述接触传感器距离地面的高度为所述前轮1220的最大可越障高度h。当所述接触传感器1600碰上障碍物并检测到时，可以确定该障碍物超过了机器人底盘的越障高度，也就是两个转向前轮1220和两个驱动后轮1340都无法越过，此时，所述接触传感器1600则将检测到的无法跨越的障碍物的信息传送到所述后轮驱动电机1321，通知所述后轮驱动电机1321停止转动。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种移动机器人底盘的运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；
根据所述前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度；
根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，计算获得底盘转向角速度和底盘前进速度；
将所述底盘转向角速度、所述底盘前进速度以及所述两个后轮的转动角速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过构建的底盘测量模型确定；
根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差；
根据所述控制误差，调整底盘运动。
2.根据权利要求1所述的移动机器人底盘的运动控制方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵为：
Figure FDA0002742390600000011
其中，H表示测量矩阵；RW表示所述后轮的直径；LTW表示两个所述后轮的转动轴心之间的轮距宽度。
3.根据权利要求1或2所述的移动机器人底盘的运动控制方法，其特征在于，
所述根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，获得底盘转向角速度和底盘前进速度的步骤，包括：
根据所述两个后轮的转动角速度，获得底盘前进速度；
将所述底盘前进速度和所述前轮的转向角度输入到所述底盘运动学模型中，获得底盘转向角速度；
其中，所述底盘前进速度为两个驱动后轮的角速度与后轮半径的乘积的和的一半；所述底盘转向角速度为所述前轮的转向角度的正切值与底盘前进速度的乘积，再与轮距宽度的比值。
4.根据权利要求3所述的移动机器人底盘的运动控制方法，其特征在于，
所述根据目标转向角速度和修正后的所述转向角速度的偏差、目标前进速度和修正后的所述前进速度的偏差以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动的控制误差的步骤，包括：
根据目标前进速度和修正后的所述底盘前进速度的偏差，获得底盘后轮的控制误差；
将目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、以及所述底盘后轮的控制误差输入至所述底盘逆运动学模型中，获得底盘前轮的控制误差。
5.一种移动机器人底盘的运动控制装置，其特征在于，包括：
底盘状态获取模块，用于获取底盘两个后轮的转动角速度和前轮转向驱动电机的转向角度；
前轮转向角度获取模块，用于根据前轮转向驱动电机的转向角度、以及所述前轮转向驱动电机的转向角度与所述前轮的转向角度的对应关系，获得前轮的转向角度。
底盘状态计算模块，用于根据所述两个后轮的转动角速度、所述前轮的转向角度以及底盘运动学模型，计算获得底盘转向角速度和底盘前进速度；
状态修正模块，用于将所述底盘转向角速度、所述底盘前进速度以及所述两个后轮的转动角速度输入到构建的卡尔曼滤波器中，获得修正后的底盘转向角速度和修正后的底盘前进速度；其中，所述卡尔曼滤波器中的测量矩阵通过构建的底盘测量模型确定；
控制误差计算模块，用于根据目标转向角速度与修正后的所述底盘转向角速度的偏差、目标前进速度与修正后的所述底盘前进速度的偏差、以及底盘逆运动学模型，获得底盘运动控制误差；
控制模块，用于根据所述控制误差，调整底盘运动。
6.一种移动机器人底盘，包括底盘框架、前桥部分和后桥部分；
所述前桥部分包括前桥固定结构、两个前轮、前轮转向驱动机构和转向联动机构；所述前桥固定结构安装在所述底盘框架的下侧面并位于所述底盘框架的前部；两个所述前轮转动固定在所述前桥固定结构的两端；所述前轮转向驱动机构通过所述转向联动机构与两个所述前轮连接；所述前轮转向驱动机构包括用于驱动所述前轮转向的前轮转向驱动电机；
所述后桥部分包括后桥固定结构、后轮驱动机构、悬挂机构和两个后轮；所述后桥固定结构固定在所述底盘框架的下侧面并位于所述底盘框架的后部；所述两个后轮转动固定在所述后桥固定结构的两端；所述后轮驱动机构通过所述悬挂机构与两个所述后轮连接；
其特征在于，
还包括运动测控设备，所述运动测控设备包括至少两个旋转编码器、至少一个转向编码器和至少一个控制器；两个所述旋转编码器分别固定在两个所述后轮上，并获得两个所述后轮的转动角速度；所述转向编码器固定在所述前轮转向驱动电机上，并获得所述前轮转向驱动电机的转向角度；所述控制器加载并执行如权利要求1至4中任意一项所述的移动机器人底盘的运动控制方法。
7.根据权利要求6所述的移动机器人底盘，其特征在于，
所述转向联动机构包括转向联轴器、转向机、两个转向固定杆、转向横拉杆、两个转向连杆和两个前轮固接杆；所述转向机通过所述转向联轴器与所述前轮转向驱动机构连接；两个所述转向固定杆的一端分别铰接在所述转向机的两端，两个所述转向固定杆的另一端分别铰接在所述转向横拉杆的两端；在所述转向横拉杆的中部铰接有两个所述转向连杆，两个所述转向连杆分别通过两个所述前轮固接杆与两个所述前轮连接。
8.根据权利要求6所述的移动机器人底盘，其特征在于，所述移动机器人底盘还包括前轮状态调整机构；所述前轮状态调整机构包括前置自转轴、第一前置自转轴座、第二前置自转轴座、后置自转轴和后置自转轴座；所述第一前置自转轴座、第二前置自转轴座、后置自转轴座沿着与所述前桥主梁垂直的方向依序固定在所述前桥框架上，所述前置自转轴两端分别通过所述第一前置自转轴座和所述第二前置自转轴座固定，所述后置自转轴通过所述后置自转轴座固定，且所述第一前置自转轴座的中心轴、第二前置自转轴座的中心轴、后置自转轴座的中心轴在同一直线上；所述前置自转轴上位于所述第一前置自转轴座和所述第二前置自转轴座之间的外露部分套设有所述前桥主梁旋转座；所述后置自转轴外露于所述后置自转轴座的部分套设有所述转向驱动机构。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；其中，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行如权利要求1至4中任意一项所述的移动机器人底盘的运动控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任意一项所述的移动机器人底盘的运动控制方法。
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