02-机械与硬件-底盘与机构

作者：姚博文 · 2026-09-15

底盘与机构

定位: 底盘形式选型（差速/阿克曼/全向）、轮径与轴距对里程计精度的定量关系、结构设计与装配调平的工程要点 | 适用: 智能小车/移动机器人开发

1\. 概述

一句话总结（给非专业读者）：底盘决定了小车"能怎么动"——差速底盘靠左右轮转速不同来转弯，能原地打转但会侧滑；阿克曼（自行车式）底盘像真车一样转方向盘，跑得快但不能原地转；麦轮底盘可以横着走，但轮子娇贵、费电。而车轮的半径和两轮之间的距离各差 1 毫米，跑 10 米就会偏 10 厘米甚至更多——所以底盘机械质量直接决定了里程计（odometry，靠轮子编码器估算位置）的精度，进而决定定位与导航的成败。

底盘（chassis）是移动机器人的机械载体，它解决四个问题：

1. **运动能力**：底盘机构（差速/阿克曼/全向）决定运动学模型形式——是 $(v, \omega)$ 还是 $(v, \delta)$ 还是 $(v_x, v_y, \omega)$；

2. **里程计质量**：轮径、轴距、轮子装配精度共同决定里程计误差的上限（第 2.5 节定量给出）；

3. **传感器承载**：激光雷达、电池、IMU、主控的安装位置与走线；

4. **可靠性**：重心、离地间隙、防护决定小车会不会翻、会不会被门槛卡住、线会不会磨破。

在自主导航链路中的位置（与 `00-路线图/学习路线图.md` 的链路图对应）：

本文回答的具体问题：

· 差速 / 四轮差速 / 阿克曼 / 麦轮怎么选（第 3 节，含对比表与决策清单）；

· 轮半径误差 0.5mm、轴距误差 5mm 时里程计会偏多少（第 2.5 节，公式 + 数值表）；

· 雷达/电池/IMU 装哪里、走线多粗、离地间隙留多少（第 4.1 节）；

· 装配后怎么调平、万向轮怎么选、R 和 L 怎么标定（第 4.2、4.3 节）；

· ROS2 里程计节点与 URDF 参数怎么配（第 4.4 节）。

2\. 基本原理

2.1 两轮差速 (Differential Drive)

最常见的小车底盘：左右各一个驱动轮（带编码器），前后各一个万向轮（caster wheel）。两个电机独立控制左右轮转速，靠转速差转向。

**运动学方程**。设左轮线速度 $v_l$、右轮 $v_r$（正值=前进），轴距（wheelbase）$L$ 为**左右轮轴之间的距离**，车体系线速度 $v$、偏航角速度 $\omega$：

$$

v = \frac{v_r + v_l}{2}, \qquad \omega = \frac{v_r - v_l}{L}

$$

**逆解**（控制层最常用：给定目标 $v, \omega$，求左右轮速度）：

$$

v_l = v - \frac{\omega L}{2}, \qquad v_r = v + \frac{\omega L}{2}

$$

直觉解释：在任意瞬间，小车相当于绕某个"瞬时旋转中心"（ICR, Instantaneous Center of Rotation）做圆周运动。ICR 位于左右轮轴的延长线上（在较慢一侧），到车体中心的距离为 $r = v / \omega$。两个特例：

· **直行**：$v_r = v_l$，$\omega = 0$，ICR 在无穷远；

· **原地旋转 (rotation in place)**：$v_r = -v_l$，$v = 0$，ICR 在车心，$\omega = 2v_r / L$。

最小转弯半径：两轮均不超过最大速度 $v_{max}$ 时，$|r| = |vL / (v_r - v_l)| \ge L/2$（此时一轮静止、一轮以 $v_{max}$ 走）。所以**轴距越长，转弯越"笨"**——这是差速底盘在狭窄空间里的天然劣势。

差速底盘有一个非完整约束（nonholonomic constraint）：轮子纯滚动，车体不能横向移动：

$$

v_y = 0 \quad (\text{车体系})

$$

💡 "能原地转"是差速对阿克曼的最大优势，Nav2 默认在原地转向