汽車運動學(xué)建模課件

汽車運動學(xué)建模分析匯報人：張榮杰汽車運動學(xué)建模分析匯報人：張榮杰1為什么要對移動機器人運動軌跡進行運動學(xué)建模分析？

自主移動機器人的運動軌跡控制至關(guān)重要，而確定運動軌跡的關(guān)鍵因素就是建立準確的運動學(xué)模型。它是對機械系統(tǒng)如何運動的最基本的研究。是從幾何學(xué)的角度研究物體的運動規(guī)律，包括物體在空間的位置、速度等隨時間在變化。在路徑規(guī)劃、控制模塊中，使用車輛運動學(xué)模型，可以使規(guī)劃出的路徑切實可行，同事滿足車輛運動過程中的幾何約束。為什么要對移動機器人運動軌跡進行運動學(xué)建模分析？ 2分析四輪式移動機器人的整體架構(gòu)汽車的框架結(jié)構(gòu)如下所示：

四輪式的移動機器人轉(zhuǎn)彎形式路徑和自行車的類似。以自行車為例，如果前輪有一定的轉(zhuǎn)角，在維持轉(zhuǎn)角不變狀態(tài)和無軸向移動前提下自行車走過的路徑將會以某個原點為中心旋轉(zhuǎn)。分析四輪式移動機器人的整體架構(gòu)汽車的框架結(jié)構(gòu)如下所示：3從這圖中我們可以看出四輪式移動機器人當轉(zhuǎn)角變時，運動軌跡即為一個圓，從這我們可以推出，四輪式移動機器人轉(zhuǎn)彎時所形成的路線是由不同圓心的圓中的一段段的圓弧連接而成的。這個推論對于我們對四輪式移動機器人的路徑規(guī)劃上至關(guān)重要從這圖中我們可以看出四輪式移動機器人當轉(zhuǎn)角變4四輪式移動機器人的運動學(xué)建模在整個分析過程中，將機器人建模成輪子上的一個剛體，運行在水平面上時，車輪與地面只有點接觸，輪子不可發(fā)生形變且只是純滾動，不發(fā)生滑行、剎車等行為，忽略車輪外傾、側(cè)偏以及輪胎的影響。針對車式機器人的運動學(xué)建模，不能單一用后軸中點進行建模，還應(yīng)該取前軸或者其他參考點。這是因為車式機器人相對于普通機器人轉(zhuǎn)彎半徑較大，若不取多個參考點，不能完全體現(xiàn)它的運動情況。四輪式移動機器人的運動學(xué)建模在整個分析過程中，將機器人建模成5

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7機器人局部坐標系如圖2所示，l為軸距，φ為車輪轉(zhuǎn)向角，d為輪距，ICR為瞬時轉(zhuǎn)動中心。設(shè)Mr，Mf的瞬時轉(zhuǎn)彎半徑分別為ρr，

ρf。圖2機器人局部坐標系機器人局部坐標系如圖2所示，l為軸距，φ為車輪轉(zhuǎn)向角，d為輪8機器人的整體速率為后輪速率Vr沿著局部坐標系Xr正方向；Vf為前輪的速率，沿著輪子前進的方向，Vr與Vf的關(guān)系為：Vf=Vr/COSφ在Δt時間內(nèi)，后輪Xr正向前進分量為Vtdt，Yr方向無運動分量；前輪Xr正方向前進分量為VfCOSφdt，Yr正方向前進分量為VfSINφdt。若φ不變，機器人瞬時沿著圓軌跡運動，瞬時前進的距離為Δs，則有ds=ρdθ，如圖3所示。此時下式成立：ρdθ=vdt（3）圖3機器人瞬時沿圓周運動機器人的整體速率為后輪速率Vr沿著局部坐標系Xr正方向；Vf9

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11總結(jié)：對四輪移動機器人建立的模型應(yīng)該是要盡可能簡化的，因為模型復(fù)雜度的增加，通常并不能對控制帶來準確定的提高，相反會導(dǎo)致算法實時性的降低，因此，模型簡化是一種非常重要的手段。1、車輛位姿在大地坐標系下，我們用[x，y，θ]描述車輛的位姿（位置和航向），v代表車輛的前進速度，

θ代表車輛的前輪偏角?？偨Y(jié)：122、車輛前輪轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向過程中，前輪偏角與后輪轉(zhuǎn)向半徑的關(guān)系如下，L代表車輛軸距2、車輛前輪轉(zhuǎn)向133、二自由度車輛運動學(xué)建模[x，y，θ]為車輛模型的狀態(tài)量，[v，θ]為車輛模型的控制量。3、二自由度車輛運動學(xué)建模14在實際的控制中，對車輛的運動學(xué)建模過程中最需要注意的是坐標系的建立和選取。若在規(guī)劃中，能考慮實際車輛的運動學(xué)和動力學(xué)約束，那么實際運動的跟蹤控制性能會更好。但是，車輛在地面運動的運動學(xué)過程是非常復(fù)雜的，為了能夠準確描述車輛運動，需要建立復(fù)