总述

本文章主要是记录底盘不同机制下的ROS速度解析，其中不同机制分别包括：差分驱动（differential-drive），阿卡曼轮驱动（arkmann drive），三轮驱动（Tricycle），舵轮驱动（Synchronous drive），奥姆轮驱动（omni drive），麦克纳姆轮（Mecanum wheel）

ROS 速度解析

在ros体系下， 速度一般有geometry_msgs/Twist 来表示，一般对于底盘的移动地盘来说，只会有 x y 以及 垂直于地面Z方向上的旋转w，三个数值来定义

底盘构造分类

移动机器人的底盘结构设计有很多种，其中每一种还有一些细分。这里只介绍比较粗的大类，其中主要有 差分驱动（differential-drive），阿卡曼轮驱动（arkmann drive），三轮驱动（Tricycle），舵轮驱动（Synchronous drive），奥姆轮驱动（omni drive）。
每一个对于给定ros速度信息时的速度解析，会根据其自身的构造与运动特点而发生变化，下面就会针对每一个构造，给出具体的速度解析公式，以方便之后有需要时参考。其中有一些共同的基础理论，及 底盘的旋转中心ICC到每个轮子计算出的方向 应该是垂直的，而对应轮子的速度为 到轮子的距离r 乘以 角速度 w。 v=r *w. 或者说 r = v / w. 通用的步骤为 第一步找到旋转中心ICC， ICC一般在垂直于前进方向和无法摆动的轮子（差分轮，阿卡曼的后轮等). 第二步 连接ICC的各个轮子并使轮子垂直于连线，此时各个轮子的角度就找到了，而速度为 v =
r * w

差分驱动

差分驱动是最常见的一种驱动方式，相对来说也是最简单的一种，其中差速还可以分为两轮差速，多轮两侧差速，多轮履带差速等等，其外形虽有差别，但核心基本类似。主要是通过控制底盘两侧的速度（大小与方向），使得底盘可以达到设定速度与朝向。 差分解析的文章很多，这里就不再赘述，分享一下别人的文章内容即可。例如这里的差分驱动简介 ，简介2 以及ROS速度解析。 其主要需要知道一些必要的物理参数，例如机器人的宽度等。
这里主要想说一下，差速轮的可能出现的问题。 第一个，DC电机控制轮子时，由于电机性能的微小差异，在给定相同速度下，轮子出现快慢不一的情况，可能需要一个比例参数，来调和两边的电机速度。第二，由于差分很大程度上依赖地面摩擦，而在打滑的情况下，很容易出现给定速度与实际速度出现差异，对行走效果产生影响，甚至会出现一定程度上的侧移。

阿卡曼驱动

来自百度百科，阿克曼转向机构（Ackermann steering）是为了解决汽车在转向时，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。根据阿克曼转向几何设计转向机构，在车辆沿着弯道转弯时，利用四连杆的相等曲柄，可以使内侧轮的转向角比外侧轮大大约2~4度，使四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向中心，从而让车辆可以顺畅的转弯。

旋转的中心轴一般是垂直于控制后的各个轮子，由于后轮不进行角度控制，所以旋转的中心轴就会落到后轮的延长线上，而前轮的两个轮到旋转轴的角度就有了相应的变化。
ICC 到车体中轴的距离R为： $R = v_{heading}/ w$. 就像之前所说， 轮子的角度 应该与ICC到轮子的连线垂直而速度为这条直线的长度 $\sqrt((R-d/2)^2+l^2)$ 以及 $\sqrt((R+d/2)^2+l^2)$ 乘以角速度 w。

$v_0 =\sqrt((R+d/2)^2+l^2)*w$
$v_1 =\sqrt((R-d/2)^2+l^2)*w$
$tan(\theta_0) = l/(R+ d/2)$
$tan(\theta_1) = l/(R - d/2)$

三轮驱动

三轮驱动，主要由一个可以控制方向的前轮，与两个控制速度的后轮组成。如图所示：

正如图所说，ICC的位置一定在垂直于后轮的水平线上。
三轮的优缺点：
优点：结构简单，成本低，无需考虑电机配合
缺点：灵活性较差，有一定的转弯半径，路径灵活性收到了限制。

舵轮

舵轮也是一种常用的结构，四个轮子中每个轮子都有两个电机驱动，一个负责速度，一个负责方向。与之前不同的是，不但会有heading的速度，还有侧移的速度 vx，vy。而对于舵轮来说，其参数有线速度，角速度，角度值 $(v,\omega,\alpha)$. 所以需要先把两个速度合成一个速度（数值，方向）。 之后同样要先把ICC的位置计算出来，然后连接各个轮子找出垂线，算角度，长度，最后计算每个舵轮的速度。理论大致和之前相同。
其中两轮舵轮，可以参考这个博客
入博客里作者所描述的，先求出旋转半径 $R = v/\omega$. 这里的v就是由$$v_x,v_y$ 两个速度合成出来的，这个ICC的位置就有了。需要求的就是$R_1,R_2$和两个轮子的角度。具体的公式博客里有给出，不会的可以去看一下。
这是双轮舵轮的解析，优点是可以实现zero radius turn， 灵活也精度高。缺点在于相比较于四轮舵轮可能会出现一边悬空而影响行走的状况，对地面有一定的要求。
四轮舵轮其实和两轮的计算来说，差别不太大，只不过要从计算两个轮子的参数，变成了四个而已。计算方法也是之前说了无数遍的，计算ICC，然后垂线找角度，算距离，算速度。 四轮舵机的难点在于在找到角度之后，四个轮子的配合上面，如何让四个轮子在运动过程中配合流畅，没有过大、不合理的来回偏转摆动，需要考虑到各个角度的象限以及电机工作方式。这个需要工程师自己去推到一下逻辑以及可能出现的状况。 关于正运动学的推算或里程计的推算，有简单的拟合各个电机速度的。具体的可能需要工程师自己去测试，找到最精准的方法。

奥姆轮 （全向轮）与麦轮（麦克纳姆轮）

奥姆轮与麦克纳姆轮也很中重要的两种轮子，他们也是能完成实时全向移动的一种轮子构型， 网上已经有一些很好的文章来解析这两种轮子，具体的可以看这里. 文章还是讲的比较详细的，其中也包含的动力学的相关速度解析。这里就不赘述了。