[发明专利]一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法

权利要求书

1.一种基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法，所述活动脚轮在两个方面具有可控性，包括控制车轮的转速，和控制车轮绕车轮与地面接触点和车轮质心所在轴的360度转动；所述机器人支持在任意时刻改变任意一个活动脚轮的转速n_i和车轮朝向在平面上与机器人正方向的夹角ψ_i，0≤i≤m，活动脚轮数量m≥2；其特征在于：按照以下流程不断更新控制机器人运动状态，

步骤S1，根据任务需求确定当前时刻机器人的目标状态，包括目标点的位置B、到达运动目标时的速度方向α、到达运动目标时的姿态rot B以及到达目标时的速度V_B；

步骤S2，将机器人整体的运动表示为机器人底盘几何中心P点的质点的运动，根据目标状态计算当前时刻机器人在全局坐标系下的运动向量T＝{V_x V_y ω_z}，其中V_x为机器人在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y为机器人在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z为机器人在全局坐标系下Z轴的角速度；运动向量计算实现如下，

(a)根据机器人的当前位置A点和目标点的位置B点，计算平面运动公转的圆心O；

(b)确定机器人在A点时的速度方向；

(c)根据机器人在A点的姿态和到达B点的姿态，计算其自转角速度；

(d)根据机器人在A点的速度和自转角速度计算当前时刻机器人的运动向量；

步骤S3，以轮子侧向不受力的原则计算各个轮子的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i；

步骤S4，按照步骤S3所得各个轮子的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i调整轮子的状态，实现控制机器人运动。

2.根据权利要求1所述基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法，其特征在于：步骤S1中，运动目标的位置(Bx,By,Bz)为全局坐标系下机器人运动平面上的任意位置，到达运动目标时机器人的速度方向α为全局坐标系下机器人运动平面上的任意方向α∈(-π,π]，到达目标点时的姿态rot B为到达目标点时机器人到达目标点时机器人正方向与全局坐标系X轴的任意夹角rot B∈(-π,π]，到达目标点的速度为在机器人最大速度限制下的任意速度0≤V_B≤V_max。

3.根据权利要求1所述的基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法，其特征在于：步骤S3，以轮子侧向不受力的原则计算各个轮子的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i，实现方式如下，

n_i×2×π×r×cos(ψ_i+rotA)＝V_x-ω_z×d_i×sin(λ_i)

n_i×2×π×r×sin(ψ_i+rotA)＝V_y+ω_z×d_i×cos(λ_i)

其中，车轮半径r、车轮i与地面接触点和轮子中心的连线所在的直线与局部坐标系XY平面的交点M与机器人局部坐标系原点P的距离d_i、PM方向与车身局部坐标系X轴的夹角λ_i为已知固定值，V_x、V_y、ω_z由步骤S2计算得到，rotA为机器人在A点时的姿态，为已知值，根据上式解算得到轮子i的转速n_i和车轮朝向与机器人局部坐标系的X轴的夹角ψ_i,0≤i≤m，活动脚轮数量m≥2。

4.根据权利要求1或2或3所述基于活动脚轮的2D轮式机器人的运动控制方法，其特征在于：支持以下运动模式，

(1)机器人在平面上做直线运动且不改变其自身的姿态，即直线运动模式；

(2)机器人在平面上绕局部坐标系Z轴旋转，即自转模式；

(3)机器人在平面上做曲线运动且不改变自身姿态，即曲线运动模式；

(4)机器人在平面上做直线运动且绕局部坐标系Z轴旋转，即同时直行和自转的运动模式；

(5)机器人在平面上做曲线运动且绕局部坐标系Z轴旋转，即同时曲线平动和自转运动模式；

(6)停车，终止所有运动状态。