本發明涉及機械工程與自動化控制，特別是涉及一種2wis全向輪裝置及控制算法。

背景技術：

1、傳統的萬向輪結構廣泛應用于機器人、自動駕駛平臺等設備中，用于實現平穩的轉向控制。但萬向輪在設計上存在一定的局限性，特別是在復雜轉向條件下，可能導致運動精度不高或控制不穩定。

2、以麥克納姆輪為基礎的萬向輪，麥克納姆輪的特點是每個輪子上裝有多個安裝角度為45度的滾輪(通常是4個滾輪)，每個滾輪的傾斜角度幫助其在多個方向上提供推力。配合四個滾輪分別放置在機器人的四個角，能夠實現平移、旋轉和任意方向的組合移動，且控制較為直觀，并通過差速控制四個滾輪的速度和方向，可以實現任意方向的移動，相較于傳統車輪，它不需要額外的轉向機構來改變方向，簡化了設計。

3、但是由于滾輪的安裝角度和設計，使得摩擦力和牽引力不如傳統車輪。且對地面平整度要求高，需要定期更換磨損部位，地面一旦不平，力分解策略失效，無法實現全向運動，同時每個滾輪都有復雜的角度設計，制造過程較為復雜且維護困難。且由于結構復雜，承載能力一般不如傳統輪子。

4、而差速輪系統作為一種常見的驅動方式，廣泛應用于差速驅動型設備中，雖然能夠提供良好的直線運動和轉向控制，但其傳統轉向方式通常需要附加裝置來實現更靈活的操控。而以4wis為主的全向輪為例，其系統通常由四個獨立轉向的滾輪組成，每個滾輪都可以獨立調整其轉向角度，使得機器人可以在任意方向上平移、旋轉或進行組合運動。這種設計與麥克納姆輪不同，4wis依靠每個滾輪單獨的轉向來實現全向控制，而非通過傾斜角度。如圖1所示，該種差速輪支持橫向移動、斜向運動、單阿克曼運動、雙阿克曼運動、斜行阿克曼運動、原地自旋等多種模式。每個滾輪的獨立轉向提供了更高的控制精度和靈活性，可以實現更精細的運動控制，尤其在狹窄空間中。且由于每個滾輪的轉向完全獨立，系統能夠實現平穩的全向移動。同時每個滾輪都可以單獨控制，所以承載能力通常較強，適合更重的負載。

5、但是，由于4wis系統需要獨立的驅動和轉向機制，增加了設計和控制的復雜性。多個獨立轉向機構需要更多的驅動機構和控制系統，因此能量消耗相對較高。且系統需要精密的控制策略來協調四個滾輪的轉向和驅動，增加了控制系統的復雜度。因此，如何在保持4wis系統優點的同時，實現更低成本的全向輪控制系統，是工業生產需要解決的一項的技術。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種2wis全向輪裝置及控制算法，以解決上述現有技術存在的問題，能夠有效降低制作成本，并保證實現連續、任意角度的轉向控制，可以廣泛應用于自動駕駛車輛、機器人、智能搬運車等領域，特別是需要高精度控制和靈活轉向的場合。

2、為實現上述目的，本發明提供了如下方案：本發明提供一種2wis全向輪裝置，包括機架、兩獨立設置的驅動輪、至少一個從動輪；

3、兩所述驅動輪沿水平方向對稱分布在所述機架的兩側，且所述驅動輪的轉動軸線水平延伸；

4、兩所述驅動輪均配套有支架組件，所述支架組件包括轉向支架、第一驅動機構和第二驅動機構，所述轉向支架的一端轉動安裝在所述機架上，且其轉動軸線豎直延伸，并配套有驅動其轉動的第一驅動機構，所述轉向支架的另一端安裝有驅動所述驅動輪轉動的第二驅動機構；

5、所述從動輪轉動安裝在所述機架上，并與兩所述驅動輪共同支撐在地面上。

6、優選的，各所述轉向支架未安裝所述第二驅動機構的端部與所述機架之間均設有導電滑環，所述導電滑環包括定子和轉子；

7、所述定子安裝在所述機架上，用于與主控機構電連接；

8、所述轉子安裝在所述轉向支架上，并與所述第一驅動機構傳動連接，且其轉動軸線豎直延伸，所述轉子與所述轉向支架同步轉動，且所述轉子上引出的導線與所述第二驅動機構電連接。

9、優選的，所述機架上轉動安裝有兩分別與各所述轉向支架對應連接的轉向執行器，所述轉向執行器的轉動軸線豎直延伸，所述轉向執行器上同軸貫穿開設有安裝通道；

10、所述導電滑環嵌入所述安裝通道內，所述導電滑環的外圈為所述轉子，并與所述轉向執行器固定連接，所述導電滑環的內圈為所述定子，并與所述機架固定連接。

11、優選的，所述第一驅動機構與所述轉向執行器傳動連接，并驅動所述轉向執行器轉動。

12、優選的，所述第一驅動機構為驅動電機，所述驅動電機設有作為所述轉向執行器的中空電機軸。

13、優選的，所述驅動輪包括輪轂及輪胎，所述輪胎安裝在所述輪轂的輪輞上，所述第二驅動機構與所述輪轂傳動連接。

14、優選的，所述第二驅動機構采用輪轂電機，所述輪轂電機內置在所述輪轂的內周側。

15、優選的，所述機架上安裝有兩從動輪，兩所述從動輪沿兩所述驅動輪的排布方向位于兩所述驅動輪之間，并沿垂直于兩所述驅動輪排布的方向分布在所述機架的兩側。

16、優選的，所述從動輪采用萬向輪。

17、還提供一種2wis全向輪裝置的控制算法，基于v/w分解法，v和w分別表示所述2wis全向輪裝置自身的線速度和角速度；

18、其中，線速度v＝(vx，vy)t；角速度

19、所述2wis全向輪裝置的速度瞬心的位置公式為：xicr＝vy/wz，yicr＝vx/wz；

20、各所述驅動輪的線速度通過瞬心位置與所述驅動輪的幾何關系求得，第i個所述驅動輪的線速度可以通過以下公式計算：

21、記速度瞬心為i，則速度瞬心到第1個所述驅動輪中心的向量(上圖藍色部分)為：

22、

23、其中，為所述2wis全向輪裝置自身的中心點到第1個所述驅動輪的旋轉中心的連線矢量，為所述2wis全向輪裝置自身的中心點到速度瞬心icr的向量，矢量相減得到第1個所述驅動輪de旋轉中心到速度瞬心的矢量，作為速度分解半徑；第1個所述驅動輪的位置為c1(x1，y1)；

24、則第1個所述驅動輪處的線速度應該為：

25、

26、其中，x為向量的外積，叉乘；

27、則第1個所述驅動輪處的期望線速度大小為：

28、

29、第2個所述驅動輪處線速度同理，可以表示為通用公式：

30、

31、將所述驅動輪i的線速度，轉化為所述驅動輪i的角速度，其中r為輪轂電機的半徑：

32、

33、對應的，所述驅動輪的轉向角為：

34、

35、對于任意利用上述公式得到每條輪腿的控制指令后，將每個輪轂電機處于速度環模式且速度指令為：

36、

37、每條腿的轉向電機處于位置環模式且轉向角度：

38、

39、針對不同運動模態，控制的值。

40、本發明相對于現有技術取得了以下技術效果：

41、本發明在差速輪的基礎上，通過設置兩個獨立的驅動輪，通過各第一驅動機構帶動對應的轉向支架及驅動輪轉向動作，通過第二驅動機構帶動對應的驅動輪行進動作，進而通過控制兩個驅動輪的轉速差，提供基礎的差速驅動控制，兩個驅動輪可以實現二維平面內連續線速度角速度指令、任意角度的轉向操作，相對于4wis系統，減少一半驅動機構，能夠有效降低制作成本，且相對于萬向輪結構，具備更高的穩定性和操控性，解決了傳統萬向輪在復雜轉向過程中存在的靈活性不足問題。可以廣泛應用于自動駕駛車輛、機器人、智能搬運車等領域，特別是需要高精度控制和靈活轉向的場合。