[发明专利]一种集成式移动机器人分布式控制方法

说明书

本发明公开了一种集成式移动机器人分布式控制方法，将传统运动控制器的集中解算分散至各电机的伺服驱动器中，形成分布式控制，大幅降低了运算量，提高了实时控制性能，且控制不受轮子数量限制，针对分布式控制设计，本发明在传统伺服驱动器硬件上，集成了单个车轮运动学解算和常规电机伺服控制功能，实现了传统运动控制器与伺服驱动器的一体化设计，形成了控制驱动器，与导航单元一起构成轮式移动机器人控制系统，将传统导航单元、运动控制器、伺服驱动器三层控制系统结构简化为导航单元、控制驱动器两层结构，降低了系统复杂度，提高了系统可靠性；导航单元与各控制驱动器之间采用EtherCAT与CAN双总线冗余通信，提高了通信可靠性。

技术领域

本发明涉及移动机器人控制技术，特别是涉及一种集成式移动机器人分布式控制方法。

背景技术

目前现有的轮式移动机器人的控制实现方式主要是基于导航单元给出的车体运动位姿轨迹，通过以太网将轮式移动机器人运动位姿轨迹信息传递给运动控制器，运动控制器通过轮式移动机器人运动学模型，集中解算得到每个车轮的目标速度矢量曲线，进而得到该车轮所对应驱动电机目标角速度曲线和转向电机目标角度曲线，通过EtherCAT将驱动电机目标角速度曲线和转向电机目标角度曲线指令发送到电机伺服驱动器。由于传统方法需集中解算所有车轮的目标速度矢量曲线，因此对运动控制器CPU性能要求较高，并使得电控部分功耗较大，降低了移动机器人续航时间，且随着轮子数量增加，运动学模型更加复杂，集中解算量剧烈增加，将难以满足控制要求，且通信方式单一，一旦通讯线路状态故障，会导致移动机器人控制失效。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种集成式移动机器人分布式控制方法，降低了系统复杂度和制造成本，增强了系统可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种集成式移动机器人分布式控制方法，硬件包括设置导航单元的四轮机器人，所述机器人的每一车轮分别设置两组集成式运动控制器与伺服驱动器；所述两组集成式运动控制器与伺服驱动器分别用于转向电机和驱动电机的控制；所述导航单元通过EtherCAT与CAN双总线分别与每一组集成式运动控制器与伺服驱动器冗余通信。所述机器人的行走过程为：

在1个通讯周期内，EtherCAT主站发送运动位姿信息给各个所述集成式运动控制器与伺服驱动器，数据帧到达后，每个所述集成式运动控制器与伺服驱动器首先依据运动位姿内容判断通讯线路状态是否正常，若线路通讯状态正常，则选用EtherCAT通讯线路进行通讯；若线路通讯状态故障，则选用备选线路CAN总线进行运动位姿信息的传输；

此后，每一所述集成式运动控制器与伺服驱动器根据接收到运动位姿信息针对所对应的单个车轮基于如下模型进行运动学解算，实时解算当前对应车轮的目标速度矢量，并分解得到相应驱动电机角速度给定值或转向电机角度给定值；

所述模型为：

设t为时间变量，表示随时间增加而变化；

直行模式下：移动机器人沿本体坐标系X轴方向直行，即绕质心旋转角速度矢量Y轴方向速度单个车轮的速度矢量均为：

横行模式下：移动机器人沿本体坐标系Y轴方向直行，即绕质心旋转角速度矢量X轴方向速度单个车轮的速度矢量均为：

斜行模式下：移动机器人可沿着任意航向角直行，即绕质心旋转角速度矢量每个车轮的速度矢量均为：

四轮转向模式下：移动机器人进行左转或者右转，即绕质心旋转角速度矢量

每个车轮的速度矢量如下，

左前车轮的速度矢量为：

左后车轮的速度矢量为：