多智能体机器人系统控制及其应用--课件--第6章地面多无人车系统的协同控制.pptxVIP

第6章

地面多无人车系统的协同控制;6.1无人车运动原理;麦克纳姆轮无人车通过4个轮子的配合，可以保证其车身在不发生旋转的情况下实现任意角度的平移运动。同时也可以保证车身在不发生水平运动的条件下实现多种旋转运动。总的来说，由麦克纳姆轮组成的无人车其平移运动和旋转运动互相独立，可以单独进行分析。该特点使用户可以方便的对其进行建模分析，并根据目标任务进行控制。

下面从平移运动和旋转运动两方面进一步说明无人车的运动原理，介绍4个轮子是如何配合从而实现无人车的各种运动。

注意：图6-2和图6-3是麦克纳姆轮与地面接触面的示意图，这与图6-1中拍摄的俯视图中转子方向刚好相差了90度，即麦克纳姆轮与地面接触时转子若为斜向右上方向，则俯视图中看到的转子方向为斜向左上方向。;6.1.1平移运动;5;6.1.1平移运动;6.1.2旋转运动;8;9;6.2建立无人车模型;6.2.1无人车的动力学模型;6.2.1无人车的动力学模型;接下来建立无人车的动力学模型。我们从主控制器产生的PWM信号开始讨论，最终的结果可以直接写入到主控制器的程序中，这能够极大地提高本节工作的工程价值。

PWM就是脉宽调制器，通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的信号。脉冲的宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压就越大，电机转速就高。反之脉冲宽度越小则占空比越小，提供给电机的平均电压也就越小，导致电机转速低。设PWM信号与电机转速呈如下所示的线性比例关系;电机本身的固有特性确保了其转速不会超过最大值，即

因此可以认为在整个的工作时间内，车轮的转速都处于可控状态。

无人车的4个车轮具有相同的动力学特性，因此得到无人车的动力学模型为

电机与车轮通过轴连接器相连，假设不会出现任何打滑或堵转情况，因此式(6-2)同样可以表示车轮与PWM控制信号的关系。;6.2.2无人车的运动学模型;二、进行受力和速度分析

现在对单个麦克纳姆轮的受力进行分析。以无人车中的1号麦克纳姆轮为例，其结构如图6-6所示，在车轮上安装了一排可以以45度自由旋转的转子。

当电机驱动麦克纳姆轮以???速度旋转时，转子被动地与地面接触，而转子与地面的接触可理想化为点接触。该接触点在“碰到”地面的瞬间会受到与其运动方向相反的作用力。;麦克纳姆轮向前转动，接触点相对地面的“运动方向”为正向后，如图6-6(a)所示，则麦克纳姆轮受到的摩擦力方向为正向前Fg。将摩擦力Fg分别沿着垂直和平行于转子轴线的方向进行分解后，得到Fv和Fp。

由于转子是从动轮，因此受到垂直于转子轴线的分力Fv后会发生被动旋转。平行于转子轴线的分力Fp会迫使转子发生移动，由于转子被轴线两侧轮毂机械限位，所以带动整个车轮发生斜向移动。

;同理，如图6-6(b)所示，当电机旋转产生向前的线速度Vg1时，只有Vp1才会驱使无人车发生有效位移。我们称这里的Vp1为有效速度。

如图6-6(c)所示，对有效速度Vp1分别沿着机体坐标系的Xb轴和Yb轴进行分解，可以得到有效速度的分量Vp1x和Vp1y。有效速度的分量驱动车轮在平面内移动。

综上所述，在电机输入到麦克纳姆轮的扭矩中，一部分用于驱动转子发生自转，另一部分驱动车轮沿着平行转子的方向移动。这样通过4个轮子的配合就实现了无人车的平移运动和旋转运动。;三、建立车体平移的方程

接下来从单个车轮的有效速度出发，构建无人车的运动学模型。当车轮旋转时，车轮角速度与有效速度之间的关系为

(6-3)

其中,Vpi分别表示第i个车轮的旋转角速度和有效速度，r表示车轮半径。

车轮的有效速度沿着机体坐标系正交分解后，有效速度的分量与有效速度之间的关系式为

(6-4)

其中Vpix,Vpiy分别表示有效速度的分量。

;如图6-7所示，将4个车轮的有效速度分别在机体坐标系上进行分解。结合每个麦克纳姆轮转子排列方向和无人车的坐标系，可以得到无人车的移动方程式为;四、建立车体旋转的方程

这里以围绕车身中心的旋转运动为例。假设有效速度的方向与无人车旋转半径的切线平行，那么可以得到无人车的旋转方程式为

其中表示无人车的旋转角速度，表示无人车的旋转半径，简化为重心到车轮的距离。

五、得到无人车的运动学模型

综上，结合无人车的移动方程式(6-5)和旋转方程式(6-6)，可以得到无人车4个车轮的转速与本体速度之间的关系式为

式(6-7)即为无人车的运动学模型。;6.3多无人车系统模型

6.3.1模型