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CN106200646A - 一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法及系统 - Google Patents

一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法及系统 Download PDF

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CN106200646A
CN106200646A CN201610754301.2A CN201610754301A CN106200646A CN 106200646 A CN106200646 A CN 106200646A CN 201610754301 A CN201610754301 A CN 201610754301A CN 106200646 A CN106200646 A CN 106200646A
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CN
China
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omnidirectional
car
mecanum wheel
round
arbitrfary point
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Application number
CN201610754301.2A
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English (en)
Inventor
李兴宝
张战
阮宁
尹立松
王珠玮
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Shenzhen JT Automation Equipment Co Ltd
Original Assignee
Shenzhen JT Automation Equipment Co Ltd
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Publication date
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0276—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using signals provided by a source external to the vehicle
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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Abstract

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法及系统，系统包括触摸屏、手持式遥控操作单元、PLC控制器和交流伺服电机，触摸屏通过以太网控制总线与PLC控制器相连，手持式遥控操作单元通过Modbus总线与PLC控制器相连，PLC控制器接收触摸屏或手持式遥控操作单元发送的操作指令后通过交流伺服电机驱动全向车的麦克纳姆轮绕任意点转动。本发明可以将多个全向车联动行驶旋转，将多辆车拼接在一起，可以运输面积大的货物，提升了全向车的载荷；实现了多个全向车绕任意点定轴转动，可以使得全向车按照各种曲线行驶，对柔性制造实现自动化提供了技术支持。

Description

一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法及系统。
背景技术
当前运输货物时当超出现有车辆额定载重时，或者运输货物面积较大单车不易运输时，就需要投入更多的资金设计制造载重更大更长的车辆。如果将多辆车拼接在一起，可以运输面积大的货物，另外在一些特殊场合需要运输平台实现基于某个点定轴旋转运动。
麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)是一种全方位移动车轮，1973年由瑞士发明家BengtIlon在名为Mecanum的公司发明，可以实现任意自由方向移动。麦克纳姆轮在车轮外环中固定与轴心成45°的自由滚子，这种设计，车轮旋转时成45°排列的自由滚子与地面接触，地面会给予车轮与转轴夹45°的摩擦力，此摩擦力可分为X分量与Y分量，即由车轮的正反转或停止，改变XY分量力的方向，可让平台做各种方式的移动。
1975年，麦克纳姆轮获得美国专利，直接稳定自驱动车。1980年美国海军买得该专利并进行军事应用开发。1996年该专利失效后，美国及世界众多大学、研究机构和公司进行应用开发和再发明，应用领域涉及全方位移动的叉车、搬运车、轮椅、弹药运输车、移动机器人等。
基于麦克纳姆轮的全方位移动机构可以实现绕任意点转动，但是大多采用工控机，ARM，单片机实现控制轮子的旋转速度和方向，组合实现运动平台的前进、后退、左右横向行驶、任意角度行驶等。然而使用工控机ARM或者单片机作为控制核心，开发周期较长，成本高。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种多辆全向车联动行驶旋转的基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法及系统。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，在平面内任意设定一点，PLC控制器驱动全向车的麦克纳姆轮绕该点旋转，全向车的麦克纳姆轮转动的角速度为：
其中：w1为麦克纳姆轮第一轮转动的角速度，w2为麦克纳姆轮第二轮转动的角速度，w3为麦克纳姆轮第三轮转动的角速度，w4为麦克纳姆轮第四轮转动的角速度；
麦克纳姆轮第一轮的半径、麦克纳姆轮第二轮的半径、麦克纳姆轮第三轮的半径和麦克纳姆轮第四轮的半径均为r；
V为全向车的瞬时速度；
θ为V与y轴的夹角；
麦克纳姆轮第一轮与麦克纳姆轮第二轮的轮距为W1，麦克纳姆轮第四轮与麦克纳姆轮第三轮的轮距为W1；麦克纳姆轮第一轮与麦克纳姆轮第四轮的轮距为L1，麦克纳姆轮第二轮与麦克纳姆轮第三轮的轮距为L1；
wZ为全向车绕自身中心旋转的角速度。
作为本发明的优化方案，全向车的瞬时速度V为：
V＝wR1 公式2
其中：w为全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的角速度；
R1为全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的半径。
本发明还提供了一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统，用于使用上述基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，包括触摸屏、手持式遥控操作单元、PLC控制器和交流伺服电机，触摸屏通过以太网控制总线与PLC控制器相连，手持式遥控操作单元通过Modbus总线与PLC控制器相连，PLC控制器接收触摸屏或手持式遥控操作单元发送的操作指令后通过交流伺服电机驱动全向车的麦克纳姆轮绕任意点转动。
作为本发明的优化方案，基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统还包括：安全控制单元，安全控制单元与PLC控制器相连接，安全控制单元为激光扫描器，激光扫描器进行270度的扫描，防止全向车绕任意点定轴转动时碰撞物体。
作为本发明的优化方案，激光扫描器内部设置有用于进行雾气矫正的集成加热器。
作为本发明的优化方案，PLC控制器包括信息化接口单元，信息化接口单元包括Profibus DP接口、Profinet接口和以太网接口。
本发明具有积极的效果：1)本发明可以将多个全向车联动行驶旋转，将多辆车拼接在一起，可以运输面积大的货物，提升了全向车的载荷；
2)本发明实现了多个全向车绕任意点定轴转动，可以使得全向车按照各种曲线行驶，对柔性制造实现自动化提供了技术支持；
3)本发明使用PLC控制器，开发周期短，硬件成本低。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明全向车的示意图；
图2本发明的全向车绕O2点旋转的示意图；
图3是基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统的结构框图。
其中：1、PLC控制器，2、触摸屏，3、手持式遥控操作单元，4、交流伺服电机，51、麦克纳姆轮第一轮，52、麦克纳姆轮第二轮，53、麦克纳姆轮第三轮，54、麦克纳姆轮第四轮，6、安全控制单元。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明公开了一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，该方法首先在平面内任意设定一点，PLC控制器1驱动全向车的麦克纳姆轮绕该点旋转，全向车的麦克纳姆轮转动的角速度为：
其中：w1为麦克纳姆轮第一轮51转动的角速度，w2为麦克纳姆轮第二轮52转动的角速度，w3为麦克纳姆轮第三轮53转动的角速度，w4为麦克纳姆轮第四轮54转动的角速度；
麦克纳姆轮第一轮51的半径、麦克纳姆轮第二轮52的半径、麦克纳姆轮第三轮53的半径和麦克纳姆轮第四轮54的半径均为r；
V为全向车的瞬时速度；
θ为V与y轴的夹角；
麦克纳姆轮第一轮51与麦克纳姆轮第二轮52的轮距为W1，麦克纳姆轮第四轮54与麦克纳姆轮第三轮53的轮距为W1；麦克纳姆轮第一轮51与麦克纳姆轮第四轮54的轮距为L1，麦克纳姆轮第二轮52与麦克纳姆轮第三轮53的轮距为L1；
wZ为全向车绕自身中心旋转的角速度。
另外：全向车的瞬时速度V为：
V＝wR1 公式2
其中：w为全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的角速度；
R1为全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的半径。即图2中O2与O1的距离，当全向车绕任意点定轴转动时，需要预先设定w和wZ。同理如果已知w1、w2、w3和w4利用公式1和公式2也可与推导出全向车的瞬时速度V和全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的角速度w。
如图3所示，一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统，用于上述的基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，该系统包括触摸屏2、手持式遥控操作单元3、PLC控制器1和交流伺服电机4，触摸屏2通过以太网控制总线与PLC控制器1相连，手持式遥控操作单元3通过Modbus总线与PLC控制器1相连，PLC控制器1接收触摸屏2或手持式遥控操作单元3发送的操作指令后通过交流伺服电机4驱动全向车的麦克纳姆轮绕任意点转动。其中，PLC控制器1通过发送脉冲控制交流伺服电机4实现全向车的移动。通过在触摸屏2在平面内任意设定一点，实现全向车绕该点的旋转，触摸屏2主要实现速度的设定、路线的规划等。
基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统还包括：安全控制单元6，安全控制单元6与PLC控制器1相连接，安全控制单元6为激光扫描器，激光扫描器进行270度的扫描，防止全向车绕任意点定轴转动时碰撞物体。激光扫描器内部设置有用于进行雾气矫正的集成加热器。其中，激光扫描器应用多次回波检测技术，另外配备了集成加热器进行雾气矫正，即使在恶劣的环境下，也能准确的进行测量，激光扫描器将测量的结果传输给PLC控制器1，PLC控制器1根据激光扫描器的测量结果控制麦克纳姆轮第一轮51、麦克纳姆轮第二轮52、麦克纳姆轮第三轮53和麦克纳姆轮第四轮54进行相应的移动。
另外PLC控制器1还包括信息化接口单元，信息化接口单元包括Profibus DP接口、Profinet接口和以太网接口。通过多种接口可以更加方便的与其它设备进行联网，控制与监控更加便捷，大大的减少了操作人员的工作量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，其特征在于：在平面内任意设定一点，PLC控制器(1)驱动全向车的麦克纳姆轮绕该点旋转，全向车的麦克纳姆轮转动的角速度为：
其中：w1为麦克纳姆轮第一轮(51)转动的角速度，w2为麦克纳姆轮第二轮(52)转动的角速度，w3为麦克纳姆轮第三轮(53)转动的角速度，w4为麦克纳姆轮第四轮(54)转动的角速度；
麦克纳姆轮第一轮(51)的半径、麦克纳姆轮第二轮(52)的半径、麦克纳姆轮第三轮(53)的半径和麦克纳姆轮第四轮(54)的半径均为r；
V为全向车的瞬时速度；
θ为V与y轴的夹角；
麦克纳姆轮第一轮(51)与麦克纳姆轮第二轮(52)的轮距为W1，麦克纳姆轮第四轮(54)与麦克纳姆轮第三轮(53)的轮距为W1；麦克纳姆轮第一轮(51)与麦克纳姆轮第四轮(54)的轮距为L1，麦克纳姆轮第二轮(52)与麦克纳姆轮第三轮(53)的轮距为L1；
wZ为全向车绕自身中心旋转的角速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，其特征在于：全向车的瞬时速度V为：
V＝wR1 公式2
其中：w为全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的角速度；
R1为全向车绕平面内任意设定的一点旋转时的半径。
3.一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统，用于使用如权利要求1所述的一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制方法，其特征在于：包括触摸屏(2)、手持式遥控操作单元(3)、PLC控制器(1)和交流伺服电机(4)，所述的触摸屏(2)通过以太网控制总线与PLC控制器(1)相连，所述的手持式遥控操作单元(3)通过Modbus总线与PLC控制器(1)相连，所述的PLC控制器(1)接收触摸屏(2)或手持式遥控操作单元(3)发送的操作指令后通过交流伺服电机(4)驱动全向车的麦克纳姆轮绕任意点转动。
4.根据权利要求3所述的一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统，其特征在于：所述基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统还包括：安全控制单元(6)，安全控制单元(6)与PLC控制器(1)相连接，所述的安全控制单元(6)为激光扫描器，所述的激光扫描器进行270度的扫描，防止全向车绕任意点定轴转动时碰撞物体。
5.根据权利要求4所述的一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统，其特征在于：所述的激光扫描器内部设置有用于进行雾气矫正的集成加热器。
6.根据权利要求3所述的一种基于全向车绕任意点定轴转动的控制系统，其特征在于：所述的PLC控制器(1)包括信息化接口单元，所述的信息化接口单元包括Profibus DP接口、Profinet接口和以太网接口。
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