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全向轮机器人基于双全向轮――陀螺仪模式坐标定位

作者:admin 发布日期:2019/1/21 关注次数: 二维码分享

普遍的轮式行走机器人模型包括二轮行走、三轮行走、四轮行走及全方位行走等。全方位行走相对于前面三种行走方式有它独特的优点,它可以在一些比较特殊的情况,比如行走轨道较窄,行走距离较短又需要经常转弯,或者操作空间狭小等,灵活自如而又准确地到达目标位置。边行走边自转的模式使得它可以迅速以直线方式到达目标位置并同时完成对准目标方向的行走任务,同时也带来了定位困难、位姿计算误差较大等问题。针对这些问题,本文提出了一种新的全向轮机器人定位方式。




1 硬件结构概述

1.1 全向轮

全向轮包括轮毂和从动轮,轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿,每两个轮毂齿之间装设有一从动轮,本方案中从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。轮毂和从动轮的协调运动实现了全向轮的任意方向行走。

1.2 陀螺仪

陀螺仪是用来测量转动量的装置,基本功能是敏感角位移和角速度,具有特别高的灵敏度和测量精度,在航行体制导、生物医学、环境监控等方面具有广泛应用。综合考虑各方面因素,本方案采用了ADI公司的ADIS116100型数字输出(SPI接口)陀螺仪。

2 定位算法

本方案使用双全向轮――陀螺仪方式定位。两个用作编码盘的全向轮安装于相互垂直的两个方向,分别测定机器人沿两个方向的位移量,同时陀螺仪给出机器人行走方向信号。程序每5ms读取一次全向轮编码盘及陀螺仪数据用于计算机器人当前坐标。考虑到一般情况下5ms时间内机器人角度变化量较小,计算时将该段时间内行走轨迹近似当作直线处理。

如图所示,机器人从当前位置走到虚线所示目标位置。设定两个全向轮组成的直角角平分线为机器人的正方向,即图中所示dir、dir',由于使用直线模型计算,假定dir=dir',dir可由陀螺仪给出。设5ms时间内测得全向轮编码盘1转动的脉冲计数变化量为COUNT1,全向轮编码盘2转动的脉冲计数变化量为COUNT2,则该段时间内机器人沿两个全向轮方向的位移量ΔX 、ΔY可按下式计算得出:

ΔX= PI*D*COUNT1/(360*4);

//D为编码盘1直径

ΔY= PI*D*COUNT2/(360*4);

//D为编码盘2直径

机器人总体位移量为S,Run_Deg为机器人相对自身的位移量,θ为机器人的绝对行走方向。可按如下步骤计算出机器人当前姿态参数(X,Y,θ):

Run_Deg = arctan(ΔX/ΔY);(3-1)

S = ;(3-2)

θ = Run_Deg +(dir45;(3-3)

X += S * cosθ;(3-4)

Y += S * sinθ;(3-5)

3 总结

目前使用的全向轮定位有传感器定位,单码盘加陀螺仪定位等方式。传感器定位精度较低,误差难以控制,难以完成复杂轨迹行走任务。单码盘加陀螺仪定位可以达到较高精度,但仅能沿正方向行走而无法真正实现全向行走,在实际应用中有较大的约束性。本文所述定位方案综合了前面两种方案的优势且弥补了上述方案的不足,具有定位精度高,可支持全向行走的特点,在武汉大学机器人代表队备战亚太机器人大赛的过程中起到了重要作用

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