一种智能打磨机器人全向底盘装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种智能打磨机器人全向底盘装置及其控制方法，装置包括：控制模块，其用于获取底盘的期望轨迹信息和实时定位信息，并根据运动模式指令，获取与运动模式对应的底盘的舵轮转角与转速；运动模式包括阿克曼转向模式、平移模式和原地转向模式；阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速的方法包括：根据期望轨迹，根据模型预测控制算法，构建预测模型，该预测模型的控制量包括底盘的速度与横摆角速度，设置代价函数和约束，获取智能打磨机器人全向底盘的四个舵轮的转角与转速。本发明专利技术能够提高底盘移动的灵活性，提高底盘跟踪规划轨迹的精确度，使底盘运动速度曲线更加平滑稳定。本发明专利技术涉及智能机器人技术领域。本发明专利技术涉及智能机器人技术领域。本发明专利技术涉及智能机器人技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种智能打磨机器人全向底盘装置及其控制方法


[0001]本专利技术涉及智能机器人
，特别是关于一种智能打磨机器人全向底盘装置及其控制方法。

技术介绍

[0002]高铁车厢，风机叶片等大型工件的打磨工艺对保证工件质量极为重要。传统的打磨方式为人工打磨，由于尺寸较大且打磨期间产生噪音与粉尘，造成加工环境恶劣、加工效率低、人工成本高等情况。同时由于工件多为复杂的曲面，人工打磨精度不高，易产生废品。
[0003]由于大型工件尺寸不固定、打磨面轮廓复杂等问题，急需一种智能的、柔性的打磨机器人，来降低工人劳动强度、降本增效、快速适应工件表面轮廓、保证加工一致性。精确的机器人底盘运动控制是保证打磨作业顺利完成的首要条件，目前国内常用的打磨机器人底盘控制形式包括：预设轨道型和前轴转向后轴驱动型。
[0004]现有技术中有轨道式打磨机器人移动底盘，它一般沿待打磨工件边缘铺设直线导轨，移动底盘通过在两侧安装轨道移动轮与导轨配合。在打磨大型工件时，移动底盘依靠移动轮沿导轨方向移动，打磨装置安装在移动底盘上，随移动底盘移动到待打磨区域。这种底盘控制方式实现简单，底盘结构设计也相对简单。但是，铺设导轨的建设成本较高，同时占用较大的工作空间；对于不同形状的工件，打磨前需调整轨道的位置以适应工件轮廓，尤其对于复杂曲面形状的工件，轨道的灵活性较差，难以按其轮廓铺设，容易造成打磨精度降低，打磨过程柔性化程度较低。
[0005]现有技术中还有前轴转向后轴驱动式打磨机器人移动底盘，通过后轴两轮安装驱动电机，进行驱动控制，前轴两轮安装转向电机，进行转向控制。但对于大型工件的打磨机器人，机械臂11一般安装位置较高，前轴转向后轴驱动式打磨机器人转向时质心侧偏角较大；前轴转向后轴驱动模式仅通过前轮控制转向，灵活性有限。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种智能打磨机器人全向底盘装置及其控制方法，其能够提高底盘移动的灵活性，提高底盘跟踪规划轨迹的精确度，使底盘运动速度曲线更加平滑稳定。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种智能打磨机器人全向底盘控制装置，其包括：
[0008]控制模块，其用于从规划决策模块获取底盘的期望轨迹信息和实时定位信息，并根据规划决策模块下发的运动模式指令，获取与运动模式对应的底盘的舵轮转角与转速，并输出；其中，运动模式包括阿克曼转向模式、平移模式和原地转向模式；
[0009]其中，阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速的方法包括：
[0010]根据期望轨迹，根据模型预测控制算法，构建预测模型，该预测模型的控制量包括底盘的速度与横摆角速度，设置代价函数和约束，获取最优期望速度与横摆角速度，进而获得智能打磨机器人全向底盘的四个舵轮的转角与转速；
[0011]平移模式和原地转向模式获取底盘的舵轮转角与转速的方法包括：
[0012]设置智能打磨机器人全向底盘的舵轮的梯形轮速，得到匀加速、匀速、匀减速的速度曲线后，对减速阶段进行减速度实时更新，再通过加速度平滑函数，得到加速度连续的速度曲线，进而获得底盘的舵轮转角与转速。
[0013]进一步地，阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速时，预测模型使用底盘运动学模型，其状态方程用下式（1）或下式（2）所描述的形式：
[0014]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
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（2）
[0016]式中，、、、分别为车辆在第时刻的中心在大地坐标系下的坐标、航向角、横摆角速度、速度，、、、分别为车辆在第时刻的中心在大地坐标系下的坐标、航向角、横摆角速度、速度，为采样时间，为第时刻的状态矩阵，，为第时刻的控制量矩阵，；
[0017]代价函数考虑横向距离误差、航向角误差、速度误差以及控制增量，约束包括运动学约束与源自执行器的机械响应特性约束：
[0018][0019]式中，、分别为底盘中心在第时刻的在大地坐标系下的坐标、航向角，、、、分别为底盘中心在初始时刻的在大地坐标系下的坐标、航向角、横摆角速度、速度，为采样时间，、分别为第、时刻的状态矩阵，，，上标为矩阵转置，为预测时域长度，、分别为第、时刻的控制量矩阵，、分别为底盘中心允许的最大横摆角速度、相邻时刻间最大横摆角速度增量，、分别为底盘中心允许的最大速度、相邻时刻间最大速度增量。
[0020]进一步地，阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速时，根据最优期望速度与横摆角速度获取智能打磨机器人全向底盘的四个舵轮的转角与转速的方法具体包括：
[0021]采用式（6）和式（7）提供的模型分解方法获得四个舵轮的期望转角与轮速：
[0022]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）
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（7）
[0024]式中，、、、分别为模型分解所得的左前舵轮、左后舵轮、右前舵轮、右后舵轮的转角，、、、分别为模型分解所得的左前舵轮、左后舵轮、右前舵轮、右后舵轮的转速，为前后轴距离，为底盘中心转弯半径，且，为左前舵轮与右前舵轮或左后舵轮与右后舵轮的中心距离，、分别为右前舵轮、右前舵轮的转弯半径，，。
[0025]进一步地，平移模式获取底盘的舵轮转角与转速时，采用下式（9）“对减速阶段进行减速度实时更新”：
[0026]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）
[0027]式中，为减速阶段舵轮的实时减速度，为舵轮的实际速度，为底盘当前位置和期望点的实时距离，若大地坐标系下，底盘当前位置为，期望坐标，则；
[0028]原地转向模式获取底盘的舵轮转角与转速时，采用下式（11）“对减速阶段进行减速度实时更新”：
[0029]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）
[0030]式中，为减速阶段舵轮实时减速度的值；为舵轮实际速度；为底盘当前位置和期望点的实时航向角度误差；为原地转向模式四轮转弯半径。
[0031]进一步地，智能打磨机器人全向底盘控制装置还包括底盘及其下表面装的四个舵轮，底盘的上表面装有机械臂：
[0032]摄像头，其装在机械臂上，用于获取前方道路或障碍物的图像信号，并输出；
[0033]激光雷达，其通过升降架以可远离或靠近底盘的方式装在底盘的上表面，用于获得底盘中心定位信息和打磨工件轮廓信息，并输出；
[0034]工控机，其上部署有控制模块，其用于通过交换机接收图像信号、激光雷达获得的定位信息和工件轮廓信息、以及机械臂的交互信号，并由控制模块计算出底盘的舵轮转角与转速的控制信号，再通过交换机发送给，最后由输送给舵轮对应的舵轮驱动器，控制舵轮的转向和行驶，同时舵轮驱动器的状态通过反馈回交换机，输送给工控机。
[0035]本专利技术还提供一种智能打磨机器人全向底盘控制方法，其包括：
[0036]步骤1，获取底盘的期望轨迹信息和实时定位信息；
[0037]步骤2，根据接收到的运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能打磨机器人全向底盘控制装置，其特征在于，包括：控制模块，其用于从规划/决策模块获取底盘的期望轨迹信息和实时定位信息，并根据规划/决策模块下发的运动模式指令，获取与运动模式对应的底盘的舵轮转角与转速，并输出；其中，运动模式包括阿克曼转向模式、平移模式和原地转向模式；其中，阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速的方法包括：根据期望轨迹，根据模型预测控制算法，构建预测模型，该预测模型的控制量包括底盘的速度与横摆角速度，设置代价函数和约束，获取最优期望速度与横摆角速度，进而获得智能打磨机器人全向底盘的四个舵轮的转角与转速；平移模式和原地转向模式获取底盘的舵轮转角与转速的方法包括：设置智能打磨机器人全向底盘的舵轮的梯形轮速，得到匀加速、匀速、匀减速的速度曲线后，对减速阶段进行减速度实时更新，再通过加速度平滑函数，得到加速度连续的速度曲线，进而获得底盘的舵轮转角与转速。2.如权利要求1所述的智能打磨机器人全向底盘控制装置，其特征在于，阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速时，预测模型使用底盘运动学模型，其状态方程用下式（1）或下式（2）所描述的形式：
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（1）
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（2）式中，、、、分别为车辆在第时刻的中心在大地坐标系下的坐标、航向角、横摆角速度、速度，、、、分别为车辆在第时刻的中心在大地坐标系下的坐标、航向角、横摆角速度、速度，为采样时间，为第时刻的状态矩阵，，为第时刻的控制量矩阵，；代价函数考虑横向距离误差、航向角误差、速度误差以及控制增量，约束包括运动学约束与源自执行器的机械响应特性约束：；式中，、分别为底盘中心在第时刻的在大地坐标系下的坐标、航向角，、、、分别为底盘中心在初始时刻的在大地坐标系下的坐标、航向角、横摆角速度、速度，为采样时间，、分别为第、时刻的状态矩阵，
，，上标为矩阵转置，为预测时域长度，、分别为第、时刻的控制量矩阵，、分别为底盘中心允许的最大横摆角速度、相邻时刻间最大横摆角速度增量，、分别为底盘中心允许的最大速度、相邻时刻间最大速度增量。3.如权利要求2所述的智能打磨机器人全向底盘控制装置，其特征在于，阿克曼转向模式获取底盘的舵轮转角与转速时，根据最优期望速度与横摆角速度获取智能打磨机器人全向底盘的四个舵轮的转角与转速的方法具体包括：采用式（6）和式（7）提供的模型分解方法获得四个舵轮的期望转角与轮速：
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（6）
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（7）式中，、、、分别为模型分解所得的左前舵轮、左后舵轮、右前舵轮、右后舵轮的转角，、、、分别为模型分解所得的左前舵轮、左后舵轮、右前舵轮、右后舵轮的转速，为前后轴距离，为底盘中心转弯半径，且，为左前舵轮与右前舵轮或左后舵轮与右后舵轮的中心距离，、分别为右前舵轮、右前舵轮的转弯半径，，。4.如权利要求1
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3中任一项所述的智能打磨机器人全向底盘控制装置，其特征在于，平移模式获取底盘的舵轮转角与转速时，采用下式（9）“对减速阶段进行减速度实时更新”：
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（9）式中，为减速阶段舵轮的实时减速度，为舵轮的实际速度，为底盘当前位置和期望点的实时距离，若大地坐标系下，底盘当前位置为，期望坐标，则；原地转向模式获取底盘的舵轮转角与转速时，采用下式（11）“对减速阶段进行减速度实时更新”：
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（11）式中，为减速阶段舵轮实时减速度的值；为舵轮实际速度；为底盘当前位置和期望点的实时航向角度误差；为原地转向模式四轮转弯半径。5.如权利要求1
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3中任一项所述的智能打磨机器人全向底盘控制装置，其特征在于，还包括底盘及其下表面装的四个舵轮，底盘的上表面装有机械臂：摄像头，其装在机械臂上，用于获取前方道路或障碍物的图像信号，并输出；激光雷达，其通过升降架以可远离或靠近底盘的方式装在底盘的上表面，用于获得底盘中心定位信息和打磨工件轮廓信息，并输出；工控机，其上部署有控制模块，其用于通...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐彪，杨泽宇，谢东，谢国涛，王晓伟，秦晓辉，秦兆博，
申请(专利权)人：江苏集萃清联智控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：