[人工智能]松灵机器人多模态ROS开发平台LIMO使用指引（四）

各位小伙伴大家好，现在移动机器人这么火热，大到无人驾驶车，规矩的有工业上应用得很多的AGV（比如智能物流自动搬运机器人），小到淘宝上面的智能小车，都可以算作移动机器人。移动机器人有各种各样的底盘，有两轮的三轮的四轮的，比如无人车是四轮的阿克曼模型，一般的AGV是两轮差速模型，还有大学生机器人竞赛里面常见的三轮全向轮底盘，四轮全向轮底盘，还有一些AGV是四轮滑移底盘，是不是有点让人眼花缭乱的感觉呢；本节将从运动学方面介绍limo的四种运动模式。如果错过之前的内容的话你可以通过以下链接进行访问：

松灵机器人多模态ROS开发平台LIMO使用指引（三）_m0_64152879的博客-CSDN博客

松灵机器人多模态ROS开发平台LIMO使用指引（二）_m0_64152879的博客-CSDN博客?

?松灵机器人多模态ROS开发平台LIMO使用指引（一）_m0_64152879的博客-CSDN博客

4.1 四轮差速运动模式

我们把一台四轮差速运动的机器人简化成下图的模型，其中四个车轮由四个单独的电机驱动，只需要控制四个车轮的速度，就可以达到控制机器人的前进、后退、以及转向的运动效果了。

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我们给机器人一个参考坐标系，红色箭头为X正方向，蓝色箭头为Y轴正方向，Z轴沿着原点垂直屏幕向外，坐标原点为机器人的质心，坐标系满足安培右手定则。当四个车轮的速度（大小+方向）一样时，机器人就可以实现前进和后退。当四个车轮的速度不一样时，机器人将会产生转向运动。

一旦机器人产生转向运动，那么意味着有一个转向中心即下图中的点ICR。以左前轮为例，轮子与地面接触点A的相对运动速度方向如图所示，合速度方向与线段A-ICR相互垂直，而轮胎只能沿着纵向分速度方向转动，做速度分解可知，还存在沿轮子轴向（电机轴向）的横向分速度。

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由于四个轮胎的横向分速度大小不同，因此机器人会产生旋转分运动，而纵向分速度产生纵向分运动，合成运动则表现为机器人绕ICR做圆周运动。

在机器人转弯时，两侧的轮胎角速度一样，内侧的轮胎转弯半径小，所以线速度更小，外侧的轮胎转弯半径大，所以外侧线速度更大。即右侧速度大时，将会向左转，同理可知，左侧速度大时，将会向右转。

而且从上图可以看出同侧的轮胎Vx（纵向分速度）一样，上（下）端的轮胎Vy（横向分速度）一样。如果想要绕自身自转的话，只需要左（右）侧的两个车轮速度一样大，且方向相同、右（左）侧的两个车轮速度与另一侧一样，但方向与另一侧相反即可。

我们可以尝试控制四轮差速模式下的limo，首先把limo调整为四轮差速模式， 拔起来顺时针转30度，使两插销上较短的线指向车体正前方

，此时为插入状态，微调轮胎角度对准孔位让插销插入，车灯变为黄色则切换成功。

模式切换成功之后，运行以下命令，我们就可以启用键盘或者手柄来控制。

启动底盘控制节点

roslaunch limo_base limo_base.launch
启动键盘控制节点

roslaunch limo_bringup limo_teletop_keyboard.launch ?

4.2 履带运动模式

履带差速模式下单侧履带可等效视为“无穷多个小轮子”，且这单侧的“无穷多个小轮子”的“转速”是一致的。所以，履带差速模式的转向方式和四轮差速模式的转向方式是一致的，也是滑动转向。

具体来讲，履带差速运动和四轮差速运动均是通过控制两侧履带（或轮子）的相对速度实现，但二者也有区别：履带对地面产生的剪切和压力分布，是不同于轮子的。此区别体现在车轮速度控制上时影响不大。车轮速度不一致时，我们参照可以以下简化后的模型

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ICR为运动旋转中心，CENTER为机器人几何学中心，COM为机器人质心。转弯时，内侧履带的速度小于外侧履带的速度，如果想要绕自身自转的话，只需要左（右）侧履带速度一样大，且方向相同、右（左）侧的履带速度与另一侧一样，但方向与另一侧相反即可。

在四轮差速模式下将履带直接套上，建议先套空间较小的后轮，并且履带模式下请将两侧车门抬起防止剐蹭。

更换完成之后，运行以下命令，我们就可以启用键盘或者手柄来控制。

启动底盘控制节点

?roslaunch limo_base limo_base.launch

?启动键盘控制节点

roslaunch limo_bringup limo_teletop_keyboard.launch ?

4.3 阿克曼运动模式

阿克曼转向结构是现代汽车的转向方式，可以解决汽车在转向时，由于左、右转向轮的转向半径不同所造成的左、右转向轮转角不同的问题。

首先看一下阿克曼运动模态简化之后的模型图。与差速运动相同，如果我们给四个车轮相同的的速度（大小+方向），即可实现机器人的前进和后退。不同之处在于转弯，需要根据前端两个车轮的偏转方向，利用阿克曼转向几何来计算转弯半径。点CENTER为机器人几何中心，点BASE为后杆的中点。此时，机器人将绕ICR做圆周运动，此转弯半径也为最小转弯半径。由图可知，前段两个车轮的偏角并不一致，两个车轮偏角的差值（θA-θB）为阿克曼角。如果机器人在阿克曼运动模式下还是采用四轮驱动的方式，在转弯时，内侧车轮的速度小于外侧车轮。

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阿克曼进一步简化，就是平时我们骑得自行车模型，上图橘黄色部分是机器人等效的自行车模型。相比于差速运动模态，阿克曼运动模态有转弯半径的限制，移动机器人不能实现自旋，即转弯半径不能为0。

先将两侧插销拔起，顺时针转30度，使两插销上较长的线指向车体正前方?，

即可卡住，车灯变为绿色则切换成功，limo就变换为阿克曼运动模态了。

模式切换成功之后，运行以下命令，我们就可以启用键盘或者手柄来控制。

切换成功之后，运行以下命令，我们就可以启用键盘或者手柄来控制。

启动底盘控制节点

?roslaunch limo_base limo_base.launch

启动键盘控制节点

roslaunch limo_bringup limo_teletop_keyboard.launch ?
注：当在阿克曼模式下走不直时需要进行舵机校准，先将7通道拨到中间，然后用右遥控调整舵机角度，角度合适时将5通道向上拨两下即算校准，之后遥控小车判断是否能够在阿克曼模式下走直，如此反复，直到可以走直为准。

4.4 麦克纳姆运动模式

?麦克纳姆轮是一种特殊的车轮，由轮毂和辊子组成：轮毂是整个轮子的主体支架，辊子则是安装在轮毂上的被动运动的鼓状物（小轮），两者组成一个完整的大轮。市面上轮毂轴线与辊子转轴夹角大致可分30度、45度、60度三种。为满足全向运动的几何关系，轮毂边缘采用了折弯工艺，为辊子的转轴提供安装孔。

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?假定车轮逆时针转动，对麦克纳姆轮进行受力分析，上图中坐标系红色表示x轴，绿色表示y轴，蓝色表示z轴，辊子坐标系用虚线表示，轮毂坐标系用实线表示；黄色箭头表示麦轮和辊子的受力分析；蓝色箭头表示速度方向。

麦轮外围的辊子是与地面接触的，当麦轮绕轮毂轴转动时，辊子会与地面产生摩擦力Ff，其作用力方向为轮毂坐标系Y轴正方向。对Ff沿着辊子坐标系做正交分解，F1沿辊子Y轴负方向，大小为√2/2Ff，FⅡ沿辊子X轴正方向，大小为√2/2Ff。F1为辊子的滚动摩擦力，对辊子造成磨损，并不能改变轮胎的运动方向，FⅡ会迫使辊子沿X轴正方向运动，故FⅡ为静摩擦，促使辊子相对地面运动。

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不同的车轮排列方式也需采用不同的控制方式，将麦轮的全向运动简化成上图这个模型，蓝色箭头表示车轮运动方向，橘黄色箭头表示麦轮的受力分析情况。将各力合并，我们将发现移动机器人只有一个向前的力，故此时机器人将向前运动。

结合之前四轮差速运动模式，对各个轮胎的摩擦力进行合并，就可使机器人往任意方向去运动。下面列举一些不同方向运动时轮胎的状态。

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先将轮毂盖和轮胎拆下，只保留轮毂电机，然后保证每个麦轮的小滚子朝向车体中心，用包装里的M3*5螺丝将麦轮安装上，最后需要用遥控/APP调整至麦轮模式。

遥控手柄在四轮差速控制模式下，通道8处于最下档时切换为麦轮控制模式，处于中上档时切回差速模式；

启动底盘控制节点

?roslaunch limo_base limo_base.launch

启动键盘控制节点?

roslaunch limo_bringup limo_teletop_keyboard.launch ?
?移动机器人的运动模态有很多，每一种都有其优缺点，在实际场景中我们可以根据场景特点和需求，选用最合适的运动模态。下表总结了四种运动模式的优缺点，仅供参看。