一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法及装置与流程

1.本技术属于四驱轮式机器人技术领域，尤其涉及一种应用于全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法及装置。

背景技术：

2.全向移动机器人相比于传统的工业机器人，具有工作效率高、驱动和控制简单、载重大、运行灵活方便等优点，因此在各领域中具有广泛的应用。全向四移动机器人通过对各个车轮的转速、质心偏转角进行协调控制，能够实现旋转，横向，斜向等运动，在仓储物流，智能巡检中发挥着重要的作用。较高的跟踪精度是上述移动机器人稳定行驶的关键。
3.然而，目前技术中，对全向四驱移动机器人的跟踪器的设计多是通过设计两组差速电机的设计，从而保证移动机器人能够实现前进或转向等运动，小车的路径跟踪精度的控制是基于控制两组差速电机来实现的。然而，在实际应用中，可以选用由四个轮毂伺服电机和四个转向驱动电机分别实现驱动和转向，这样的设置能够提高移动机器人的运动灵活性，确保移动机器人可以实现原地旋转等需求。
4.现有技术中并未对上述机器人设计较为稳定的、鲁棒性强的轨迹纠偏方法。基于此，需要提供一种四驱轮式移动机器人的轨迹纠偏方式，保证移动机器人具有较好的跟踪效果。

技术实现要素：

5.针对现有技术中并未对上述机器人设计较为稳定的、鲁棒性强的轨迹纠偏方法的问题，本技术实施例的目的在于提供一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法及装置，通过轨迹纠偏方式，保证移动机器人具有较好的跟踪效果。
6.为实现上述目的，本技术实施例提供了如下的技术方案。
7.第一方面，在本技术提供的一个实施例中，提供了一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，包括：
8.建立全向四驱移动机器人的运动学模型；
9.基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值；
10.根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。
11.可选的，检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值之前，还包括设计运动学控制器。
12.可选的，每个轮子的转向角为全向四驱移动机器的上轮子的行驶角度，每个轮子的速度为全向四驱移动机器的上轮子的行驶速度。
13.可选的，所述运行轨迹与规划轨迹之间的误差值包括距离偏差和角度偏差。
14.可选的，检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值之前，还包括将四驱移动机器人简化为两轮驱动机器人。
15.可选的，所述全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，还包括：
16.根据距离偏差，通过运动学控制器获取机器人第一纠偏值；
17.根据第一纠偏值设置前轮与后轮的纠偏角度；
18.根据角度偏差，通过运动学控制器获取机器人得第二纠偏值；
19.根据第二纠偏值设置前轮与后轮的纠偏角度；
20.根据第一纠偏值和第二纠偏值计算前轮舵轮角度和后轮舵轮角度，获得两轮驱动机器人纠偏时的前轮转向角和后轮转向角。
21.可选的，所述运动学控制器的输入为位置偏差，运动学控制器的输出为四驱移动机器人中心位置的修正量。
22.可选的，所述四驱移动机器人中心位置为机器人底盘的中心位置。
23.可选的，全向四驱移动机器人的运动学模型包括移动机器人正运动学模型和逆运动学模型，根据前轮转向角的和后轮转向角确定四驱移动机器人各个轮毂的转向角和速度。
24.第二方面，在本技术提供的另一个实施例中，提供了一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪装置，包括全向四驱移动机器人，所述全向四驱移动机器人执行上述第一方面所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法对应的操作。
25.第三方面，在本技术提供的又一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如上述第一方面所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪对应的操作。
26.第四方面，在本技术提供的再一个实施例中，提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如上述第一方面所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪对应的操作。
27.与现有技术相比，本技术提供的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法及装置，可以实现以下效果：
28.通过将全向四驱移动机器人的运动学模型简化成两轮驱动移动机器人的方式，简化了运动学分析难度，分别求取距离偏差和角度偏差的值，并分别通过运动学控制器进行校正，得到的结果分别叠加至两轮驱动移动机器人的前轮和后轮，降低了校正误差时运动控制系统的耦合性，有利于降低轨迹跟踪误差，提高机器人的轨迹跟踪精度。
29.在求取了两轮模型中的前轮和后轮的校正值之后，根据车体机械参数合理的分配至四个轮子上，得到合适转向角和速度，保证车体能够平稳运行，避免了轮体与地面得滑动的发生。
30.本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。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，并不能限制本技术。
附图说明
31.附图用来提供对本技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术，并不构成对本技术的限制。在附图中：
32.图1为本技术实施例的一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法的流程图。
33.图2为本技术实施例的一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法中简化为两轮驱动机器人的示意图。
34.图3为本技术实施例的一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法中得到两轮驱动机器人纠偏时的前轮转向角和后轮转向角示意图。
35.图4为本技术实施例的一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法中四舵轮小车运动学模型示意图。
具体实施方式
36.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
37.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本技术公开及其应用或使用的任何限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互结合。
38.具体地，下面结合附图，对本技术实施例作进一步阐述。
39.如图1所示，本技术的一个实施例提供一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，该方法包括如下步骤：
40.步骤s10、建立全向四驱移动机器人的运动学模型。
41.在本技术的实施例中，获取agv的路径规划参数时，确定agv在环境区域内的作业范围，以及确定agv行驶轨迹得起始点和终止点的位置。
42.在一些实施例中，所述起始点位置和终止点位置为agv执行搬运任务的起点和终点。
43.示例性的，以agv搬运物料为例，agv起始点为agv上料点，agv的终止点为agv的下料点，agv将物料从上料点搬运至下料点。
44.步骤s20、基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值。
45.在本技术实施例中，检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值之前，还包括设计运动学控制器。
46.在一些实施例中，所述运行轨迹与规划轨迹之间的误差值包括距离偏差和角度偏差。
47.在本技术的实施例中，当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值包括距离偏差ed和角度偏差ea，即，机器人当前的位置与规划轨迹在位置和姿态上均有偏差。
48.在一些实施例中，检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值之前，还包括将四驱移动机器人简化为两轮驱动机器人。
49.在本技术的实施例中，所述全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，还包括：
50.根据距离偏差，通过运动学控制器获取机器人第一纠偏值；
51.根据第一纠偏值设置前轮与后轮的纠偏角度；
52.根据角度偏差，通过运动学控制器获取机器人得第二纠偏值；
53.根据第二纠偏值设置前轮与后轮的纠偏角度；
54.根据第一纠偏值和第二纠偏值计算前轮舵轮角度和后轮舵轮角度，获得两轮驱动
机器人纠偏时的前轮转向角和后轮转向角。
55.如图2所示。进一步地，根据距离偏差ed，通过运动学控制器(pid控制器)获取机器人第一纠偏值u1，具体为公式(1)：
[0056][0057]
其中，u1(t)为输出的增量调节值，即ed的纠偏距离。
[0058]
在四驱移动机器人的应用中，所述运动学控制器的输入为位置偏差，运动学控制器的输出为四驱移动机器人中心位置的修正量。其中，所述四驱移动机器人中心位置为机器人底盘的中心位置。
[0059]
在本技术的实施例中，位置偏差的具体定义为：当前时刻下移动机器人所在的位置与规划轨迹(直线)的距离(点到直线的距离)。
[0060]
根据第一纠偏值u1设置前轮与后轮的纠偏角度，此时前轮舵轮转角为u1，后轮舵轮转角为u1。
[0061]
根据第一纠偏值u1设置前轮与后轮的纠偏角度，具体为，设置前轮舵轮(包括前轮中的左轮和右轮)转角为u1，后轮舵轮(包括后轮中的左轮和右轮)转角的值也为u1。
[0062]
根据角度偏差ea，通过pid控制器获取机器人得第二纠偏值u2，具体为公式(2)：
[0063][0064]
其中，角度偏差ea的定义为，小车当前的姿态角与规划轨迹的切线方向角的差值。根据第二纠偏值u2进一步设置前轮与后轮的纠偏角度。
[0065]
在本技术实施例中，设置前轮与后轮的纠偏角度的一种方式为：
[0066]
前轮舵轮(包括前轮中的左轮和右轮)的角度为u1+u2，后轮舵轮(包括前轮中的左轮和右轮)的角度为u1-u2，从而得到两轮驱动机器人纠偏时的前轮转向角δf和后轮转向角δr，如图3所示。
[0067]
需要注意的是，距离偏差ed和角度偏差ea为矢量，u1和u2的值∈[-90
°ꢀ
90
°
]。
[0068]
步骤s30、根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。
[0069]
在本技术的实施例中，每个轮子的转向角为全向四驱移动机器的上轮子的行驶角度，每个轮子的速度为全向四驱移动机器的上轮子的行驶速度。
[0070]
为了保证四舵轮车辆能够正常行驶，在图3的基础上设计四舵轮小车运动学模型，示意图如图4。在本技术中，m与n为简化后得到的二轮移动机器人的运动学示意图，abcd轮为全向四驱移动机器人的运动学示意图。
[0071]
在本技术的实施例中，全向四驱移动机器人的运动学模型包括移动机器人正运动学模型和逆运动学模型，根据前轮转向角的和后轮转向角确定四驱移动机器人各个轮毂的转向角和速度。
[0072]
具体的，设计移动机器人正运动学模型(运动估计模型)：
[0073][0074]
逆运动学模型(含推导过程)：这一过程的目的是根据前轮转向角的αf 和后轮转向角αr确定四驱移动机器人各个轮毂的转向角和速度，每个轮子的计算结果已高亮处理。
[0075]
参照图4所示，假设左上角轮子为a轮，沿顺时针方向，各轮子为b轮，c 轮，d轮，a轮的行驶速度为v1，沿车体旋转中心的转弯半径为r1；b轮的行驶速度为v2，沿车体旋转中心的转弯半径为r2；c轮的行驶速度为v3，沿车体旋转中心的转弯半径为r3；d轮的行驶速度为v4，沿车体旋转中心的转弯半径为r4。计算参照图4所示，根据车体运动学原理，a轮和b轮可简化成前轮m，前轮的行驶速度为vf，沿车体旋转中心的转弯半径为rf；c轮和d轮可简化成后轮n，后轮的行驶速度为vr，沿车体旋转中心的转弯半径为rr。根据四驱移动机器人的工作原理，全向四驱移动机器人的运动学模型的计算过程如下：
[0076][0077]
在
▲
mon中，
[0078]
∠m＝π/2-δf，∠n＝π/2-δr，∠o＝δf+δr。
[0079]
根据正弦定理：
[0080][0081][0082]
由(2-2)得，
[0083][0084]
根据(3)式得，
[0085][0086][0087]
在
▲
moe中，
[0088]
根据余弦定理：
[0089][0090]
[0091][0092][0093]
由(2-2)式得：
[0094][0095]
将(3-5)式代入(3-4)，得
[0096]
同理，在
▲
aom中，
[0097]
∠a＝π-δ
f1
，∠m＝δf，∠o＝δ
f1-δf。
[0098]
根据正弦定理得：
[0099][0100][0101][0102]
根据余弦定理得：
[0103][0104][0105]
将式(3-6)代入(4-4)得:
[0106][0107]
由式(3)，式(2-3)和式(3-6)得：
[0108][0109]
由式(3-5)和(4-2)得
[0110][0111]
lsinδfcosδr＝r1sinδ
f1
sin(δf+δr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4-7)
[0112][0113][0114]
同理，在
▲
mbo中，∠m＝π-δf，∠b＝δ
f2
，∠o＝δ
f-δ
f2
[0115]
根据正弦定理得：
[0116][0117][0118]
根据余弦定理得：
[0119][0120]
[0121][0122]
由(3-5)和(5-2)得：
[0123][0124]
sinδflcosδr＝r2sinδ
f2
sin(δf+δr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-7)
[0125][0126][0127]
在三角形oen中，
[0128]
根据余弦定理：
[0129][0130][0131][0132][0133]
由式(2-2)得：
[0134]
[0135]
将(6-5)式代入(6-4)，得：
[0136][0137]
同理，在
▲
ond中，∠d＝π-δ
r1
，∠n＝δr，∠o＝δ
r1-δr。
[0138]
根据正弦定理：
[0139][0140][0141][0142]
根据余弦定理得：
[0143][0144][0145]
由式(3)，式(2-3)和式(3-6)得
[0146][0147]
由(6-5)和(7-2)得，
[0148]
[0149][0150][0151]
同理，在
▲
ocn中，∠c＝δ
r2
，∠n＝π-δr，∠o＝δ
r-δ
r2
[0152]
根据正弦定理得：
[0153][0154][0155]
根据余弦定理得：
[0156][0157][0158][0159][0160]
由(6-5)和(8-2)得，
[0161][0162]
sinδrlcosδf＝r3sinδ
r2
sin(δf+δr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8-7)
[0163][0164][0165]
在本技术的通过上述方式设设计四轮全驱移动机器人的跟踪控制方法适用于跟踪弧线轨迹和原地旋转时的机器人的跟踪需求。
[0166]
在本技术的一个实施例中，一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪装置，包括全向四驱移动机器人，所述全向四驱移动机器人执行上述实施例所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法对应的操作步骤：
[0167]
建立全向四驱移动机器人的运动学模型；
[0168]
基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值；
[0169]
根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。
[0170]
在一个实施例中，在本技术的实施例中还提供了一种计算机设备，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行的自全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，该处理器执行指令时实现上述各方法实施例中的步骤：
[0171]
建立全向四驱移动机器人的运动学模型；
[0172]
基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值；
[0173]
根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。
[0174]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行的自全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，步骤如下：
[0175]
建立全向四驱移动机器人的运动学模型；
[0176]
基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值；
[0177]
根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。
[0178]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机指令表征的计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。
[0179]
非易失性存储器可包括只读存储器、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储
器可包括随机存取存储器或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限， ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器或动态随机存取存储器等。
[0180]
综上所述，本技术提供的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法及装置，可以实现以下效果：通过将全向四驱移动机器人的运动学模型简化成两轮驱动移动机器人的方式，简化了运动学分析难度，分别求取距离偏差和角度偏差的值，并分别通过运动学控制器进行校正，得到的结果分别叠加至两轮驱动移动机器人的前轮和后轮，降低了校正误差时运动控制系统的耦合性，有利于降低轨迹跟踪误差，提高机器人的轨迹跟踪精度。
[0181]
在求取了两轮模型中的前轮和后轮的校正值之后，根据车体机械参数合理的分配至四个轮子上，得到合适转向角和速度，保证车体能够平稳运行，避免了轮体与地面得滑动的发生。
[0182]
以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，包括：建立全向四驱移动机器人的运动学模型；基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值；根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。2.根据权利要求1所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值之前，还包括设计运动学控制器。3.根据权利要求1所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，每个轮子的转向角为全向四驱移动机器的上轮子的行驶角度，每个轮子的速度为全向四驱移动机器的上轮子的行驶速度。4.根据权利要求2所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，所述运行轨迹与规划轨迹之间的误差值包括距离偏差和角度偏差。5.根据权利要求4所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值之前，还包括将四驱移动机器人简化为两轮驱动机器人。6.根据权利要求5所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，所述全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，还包括：根据距离偏差，通过运动学控制器获取机器人第一纠偏值；根据第一纠偏值设置前轮与后轮的纠偏角度；根据角度偏差，通过运动学控制器获取机器人得第二纠偏值；根据第二纠偏值设置前轮与后轮的纠偏角度；根据第一纠偏值和第二纠偏值计算前轮舵轮角度和后轮舵轮角度，获得两轮驱动机器人纠偏时的前轮转向角和后轮转向角。7.根据权利要求6所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，所述运动学控制器的输入为位置偏差，运动学控制器的输出为四驱移动机器人中心位置的修正量。8.根据权利要求7所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，所述四驱移动机器人中心位置为机器人底盘的中心位置。9.根据权利要求1所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，所述全向四驱移动机器人的运动学模型包括移动机器人正运动学模型和逆运动学模型，根据前轮转向角的和后轮转向角确定四驱移动机器人各个轮毂的转向角和速度。10.一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪装置，其特征在于，包括全向四驱移动机器人，所述全向四驱移动机器人执行如权利要求1-9任一所述的全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法对应的操作。

技术总结

本申请属于四驱轮式机器人技术领域，具体涉及一种全向四驱移动机器人的轨迹跟踪方法及装置。该方法建立全向四驱移动机器人的运动学模型；基于运动学模型检测当前机器人的运行轨迹与规划轨迹之间的误差值；根据误差值结果设计轨迹跟踪方式，并依次设计全向四驱移动机器人上每个轮子的转向角和速度。本申请通过将全向四驱移动机器人的运动学模型简化成两轮驱动移动机器人的方式，简化了运动学分析难度，分别求取距离偏差和角度偏差的值，并分别通过运动学控制器进行校正，得到的结果分别叠加至两轮驱动移动机器人的前轮和后轮，降低了校正误差时运动控制系统的耦合性，有利于降低轨迹跟踪误差，提高机器人的轨迹跟踪精度。提高机器人的轨迹跟踪精度。提高机器人的轨迹跟踪精度。