CN104931045B - 全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法 - Google Patents

全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法，以机器人几何中心为原点建立机器人坐标系XOY，机器人的定位码盘上互成120°分布三个编码器，并且一个编码器的轴线位于机器人坐标系X正方向，确立三个被动全向轮的速度与机器人坐标系速度分量及机器人转动角速度之间的转化关系，然后进行坐标系转化，将上述关系进行融合得世界坐标系速度分量Vx、Vy、机器人转动角速度ω与机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度之间的关系，对Vx、Vy、ω进行积分确定全方位移动机器人的世界坐标和姿态角。本发明是全方位移动机器人基于三个编码器互成120°分布定位码盘的定位方法，控制系统通过定位算法对编码器反馈回的数据进行处理，即可定位机器人所在位置。

Description

全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法
技术领域
本发明涉及的是一种移动机器人的控制方法。
背景技术
目前关于全方位移动机器人导航定位方法的研究，均是基于惯性导航、视觉导航、卫星导航等方法进行导航定位，其导航定位系统均借助于导航定位电子封装模块。对于移动机器人，定位技术非常重要，如果移动机器人没有定位功能，机器人的任何自主运动都是盲目的。移动机器人在运动过程中的三个关键问题是：现在何处？到何处去？如何去？
中国专利(CN103487050A)公开的一种基于单超声波传感器、编码器和电子罗盘等多传感器融合的一部时间到达(Asynchronous Time of Arrival,ATOA)室内定位方法，并提出了一种双层卡尔曼滤波(Double-later Kalman Filter,DLKF)的数据融合模型。采用超声波网络定位系统对室内移动机器人进行定位，超声波网络定位系统主要分为三个模块：控制模块、超声波发射模块和超声波接收模块。
发明内容
本发明的目的在于提供对机器人实现快速定位的全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法，其特征是：
以机器人几何中心即定位码盘中心为原点建立机器人坐标系XOY，机器人的定位码盘上互成120°分布三个编码器，并且一个编码器的轴线位于机器人坐标系X正方向；
全方位移动机器人在移动过程中也会伴随着转动，则全方位移动机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1、V2、V3与机器人坐标系速度分量VX、VY及机器人转动角速度ω之间的转化关系为：
机器人的姿态角改变时，机器人坐标系与世界坐标系不完全重合，进行坐标系转化，转化关系为：
由上述两个式子进行融合得世界坐标系速度分量Vx、Vy，机器人转动角速度ω与机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1、V2、V3之间的关系为：
对上式中的Vx、Vy、ω进行积分确定全方位移动机器人的世界坐标(x,y)和姿态角θ。
本发明的优势在于：本发明是全方位移动机器人基于三个编码器互成120°分布定位码盘的定位方法，控制系统通过定位算法对编码器反馈回的数据进行处理，即可定位机器人所在位置。
附图说明
图1为机器人运动学模型示意图；
图2为机器人坐标系与世界坐标系的转化关系示意图；
图3为机器人定位控制系统示意图；
图4为机器人定位过程流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～4，本发明提供的全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法，具体实施步骤如下：
以机器人几何中心即定位码盘中心为原点建立机器人坐标系XOY，并且一个编码器的轴线位于机器人坐标系X正方向；
首先将机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1,V2,V3与机器人坐标系速度分量VX,VY及机器人转动角速度ω进行关系转化，转化关系为：
机器人在运动过程中机器人坐标系XOY与世界坐标系xoy不总是重合的，再次将机器人坐标系速度分量VX,VY，机器人转动角速度ω与世界坐标系速度分量Vx,Vy，机器人转动角速度ω进行关系转化，转化关系为
将式(1-1)、(1-2)进行融合，可得机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1,V2,V3与世界坐标系速度分量Vx,Vy，机器人转动角速度ω之间的关系：
在机器人运动过程中，时刻对世界坐标系速度分量Vx,Vy，机器人转动角速度ω进行积分，即可得到机器人在世界坐标系下的坐标(x,y)及机器人姿态角θ；实际上机器人的控制系统是对定位码盘的三个被动全向轮的速度V1,V2,V3进行积分并时刻按照关系进行转化，也可得到机器人在世界坐标系下的坐标(x,y)及机器人姿态角θ。
如图1所示，全方位移动机器人只移动，即定位码盘只有移动，定位码盘三个被动全向轮的速度V1',V2',V3'与机器人坐标系速度分量VX,VY的转化关系：
V1'＝-VXcos30°-VYsin30°
V2'＝VXcos30°-VYsin30° (1-4)
V3'＝VY
全方位移动机器人只转动时，即定位码盘只转动，定位码盘三个被动全向轮的速度V1”,V2”,V3”与机器人转动角速度ω之间的转化关系：
V1”＝V2”＝V3”＝ωr (1-5)
全方位移动机器人在移动过程中也会伴随着转动，因此全方位移动机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1,V2,V3与机器人坐标系速度分量VX,VY及机器人转动角速度ω之间的转化关系为：
如图2所示，机器人的姿态角改变时，机器人坐标系与世界坐标系不完全重合，需要进行坐标系转化，转化关系为：
由式(1-6)、(1-7)进行融合可得世界坐标系速度分量Vx,Vy，机器人转动角速度ω与机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1,V2,V3之间的关系为：
对式(1-8)中的Vx,Vy,ω进行积分可以确定全方位移动机器人的世界坐标(x,y)与姿态角θ。

Claims (1)

1.全方位移动机器人基于定位码盘的定位方法，其特征是：
以机器人几何中心即定位码盘中心为原点建立机器人坐标系XOY，机器人的定位码盘上互成120°分布三个编码器，并且一个编码器的轴线位于机器人坐标系X正方向；
全方位移动机器人在移动过程中也会伴随着转动，则全方位移动机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1、V2、V3与机器人坐标系速度分量VX、VY及机器人转动角速度ω之间的转化关系为：
机器人的姿态角改变时，机器人坐标系与世界坐标系不完全重合，进行坐标系转化，转化关系为：
<mrow> <mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>V</mi> <mi>x</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>V</mi> <mi>y</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;omega;</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>V</mi> <mi>X</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>V</mi> <mi>Y</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;omega;</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
由上述两个式子进行融合得世界坐标系速度分量Vx、Vy、机器人转动角速度ω与机器人定位码盘的三个被动全向轮的速度V1、V2、V3之间的关系为：
对上式中的Vx、Vy、ω进行积分确定全方位移动机器人的世界坐标(x,y)和姿态角θ。
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