CN106933221A - 一种基于多传感器的轮式机器人系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于多传感器的轮式机器人系统，由控制器、电机驱动、机器人、超声波传感器、GPS传感器、光电编码器、陀螺仪传感器构成；所述光电编码器、陀螺仪传感器分别连接控制器；所述GPS传感器、超声波传感器分别连接控制器；所述控制器连接控制电机驱动，所述电机驱动连接机器人。本发明的一种基于多传感器的轮式机器人系统，具有灵活、通用、易操作等许多优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人系统，特别是涉及一种基于多传感器的轮式机器人系统。
背景技术
移动机器人定位是机器人研究领域中的一个热点。传感器是机器人感知外部环境的工具，它相当于人类的各个器官。机器人要想进行快速的运动和精确的定位，必须获得自身的状态信息和所处环境的信息，所以传感器必不可少。在机器人身上所安装的传感器中，一般分为两种传感器，分别是内部传感器的外部传感器。内部传感器用于监测机器人的自身状态，而外部传感器用于感知外部环境信息。实验室搭建的移动机器人，其使用的传感器有光电编码器、超声波、陀螺仪和GPS等。
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。将光电编码器运用在轮式移动机器人的驱动轮上，在运动时，通过测量单位时间内脉冲数，再通过相应的计算公式便可得出运动的速度，计算一定时间内的脉冲还可得出移动的位移，从而得出机器人的位置估计。
超声波传感器用来测量物体的距离，根据超声波的反射特性，检测超声波的往返时间就能推算出当前位置到所测物体的距离。
陀螺仪是一种用来检测和保持方向的传感器，它主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成，其工作原理是在对它施加力的情况下，能够在某一方向上迅速旋转且该方向在没有外力干扰下保持不变。
GPS即全球定位系统， 它的定位原理是结合多个测量卫星到接收机之间的测距信息来获得观测点的经纬度而确定其具体位置。采用多传感器信息融合技术对移动机器人进行定位，保证机器人位置信息的准确性和可靠性，以使机器人能做出正确的决策。多传感器信息融合具有增加系统的生存能力、扩展时间和空间覆盖范围、增加可行度、减少信息的模糊性等诸多优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多传感器的轮式机器人系统，该系统具有灵活、通用、易操作等许多优点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于多传感器的轮式机器人系统，由控制器、电机驱动、机器人、超声波传感器、GPS传感器、光电编码器、陀螺仪传感器构成；所述光电编码器、陀螺仪传感器分别连接控制器；所述GPS传感器、超声波传感器分别连接控制器；所述控制器连接控制电机驱动，所述电机驱动连接机器人。
所述系统通过GPS采集位置信息，陀螺仪采集机器人自身姿态信息，光电编码器作为转角采集，超声波作为距离采集，这些模块将采集的信号发送给控制器，然后控制器进行算法计算，将结果信号输送给 电机驱动，从而达到对机器人的控制。
本发明的有益效果：本发明采用多传感器信息融合技术对移动机器人进行定位，保证机器人位置信息的准确性和可靠性，以使机器人能做出正确的决策。多传感器信息融合具有增加系统的生存能力、扩展时间和空间覆盖范围、增加可行度、减少信息的模糊性等诸多优点，该系统具有灵活、通用、易操作等许多优点。
附图说明
图1是本发明的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种基于多传感器的轮式机器人系统，由控制器、电机驱动、机器人、超声波传感器、GPS传感器、光电编码器、陀螺仪传感器构成；所述光电编码器、陀螺仪传感器分别连接控制器；所述GPS传感器、超声波传感器分别连接控制器；所述控制器连接控制电机驱动，所述电机驱动连接机器人。
实施例2
所述系统通过GPS采集位置信息，陀螺仪采集机器人自身姿态信息，光电编码器作为转角采集，超声波作为距离采集，这些模块将采集的信号发送给控制器，然后控制器进行算法计算，将结果信号输送给 电机驱动，从而达到对机器人的控制。
实施例3
轮式移动机器人运动学模型：
运动学模型主要研究的是移动机器人的定位，所以对机器人的复杂机构予以简化，以便于构造机器人的运动学模型。本文选用两轮驱动小车作为研究平台，将整个平台看作一个刚体。在移动机器人的运动中，其主要运动方式有两种：匀速直线运动和以R为半径的回圆弧运动。
移动机器人的位置问题是一个重点问题，为了能很好地解决这个问题，本文为移动机器人的模型建立两种坐标系，分别是全局坐标系 和局部参考坐标系。全局坐标系用来建立机器人的运动环境，将坐标系的原点建立在偏移机器人中心的起始位置一定距离的地方；机器人的局部参考坐标系建立在机器人上，将两个驱动轮轴心连线的中点作为原点，而且把这个点也当作移动机器人的移动参考点；以局部参考坐标系的轴的方向表示移动机器人的运动方向，且移动机器人的运动方向与全局坐标系的角度差用来表示。
考虑移动机器人的匀速直线运动，轮式移动机器人的位置表示为，其中是机器人在全局坐标系中的位置，为机器人的运动方向[7]。分别为小车左右两轮的角速度，为两轮的半径，为两轮之间的距离，小车的移动速度用左右两轮的平均速度来表示为，角速度为 ，移动机器人在全局坐标系中的速度表示为：
（2-1）
从上面的计算公式可以看出，在理想的情况下，其运动学方程可以表示为如下矩阵的形式
（2-2）
为了能够运用离散形式的方程，从而方便仿真，可以用此时的位置再加上在这一小时间段内的位移来表示移动机器人下一时刻的位置，计算形式如下所示：
（2-3）
即，其中，为采样时间，
（2-4）
考虑到实际环境中的各种影响造成的误差，所以在此模型上再加上一个零均值的白噪声，方差为，以更切合实际描述，即
（2-5）
系统的观测模型为
（2-6）
其中系统的观测矩阵为，与相互独立，的方差为。系统总体表述如下：
（2-7）
传感器模型
传感器是机器人感知外部环境的工具，它相当于人类的各个器官[8]。机器人要想进行快速的运动和精确的定位，必须获得自身的状态信息和所处环境的信息，所以传感器必不可少。在机器人身上所安装的传感器中，一般分为两种传感器，分别是内部传感器的外部传感器。内部传感器用于监测机器人的自身状态，而外部传感器用于感知外部环境信息[9]。本文研究所用的实验室搭建的移动机器人，其使用的传感器有光电编码器、超声波、陀螺仪和GPS等。
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器[10]。将光电编码器运用在轮式移动机器人的驱动轮上，在运动时，通过测量单位时间内脉冲数，再通过相应的计算公式便可得出运动的速度，计算一定时间内的脉冲还可得出移动的位移，从而得出机器人的位置估计。
超声波传感器用来测量物体的距离，根据超声波的反射特性，检测超声波的往返时间就能推算出当前位置到所测物体的距离。
陀螺仪是一种用来检测和保持方向的传感器，它主要是由一个位于轴心可以旋转的轮子构成，其工作原理是在对它施加力的情况下，能够在某一方向上迅速旋转且该方向在没有外力干扰下保持不变。
GPS即全球定位系统， 它的定位原理是结合多个测量卫星到接收机之间的测距信息来获得观测点的经纬度而确定其具体位置。
超声波测距模型
超声波传感器是以波的反射性能为基础来进行工作的。其不受光线影响，应用灵活，且处理信息简单、成本低、体积小、速度快、结构简单、性价比高。超声波传感器的发射器发射超声波，频率一般为40~45HZ，接收器接收当波遇到障碍物时反射回来的波。假设超声波往返的时间为，波在空气中传播速度为，则传感器到障碍物间的距离为。超声波传感器的数学模型可简化为在一个固定的波带开放角方位之内，传感器到某一物体的最短距离。
超声波传感器所测得的数据是传感器与环境中障碍物之间的距离，由于传感器的安装位置并非是在移动机器人的中心位置，故不能直接用于表示机器人在全局坐标系中的位置，为方便使用，对其进行坐标变换。设为超声波传感器在机器人局部坐标系中的坐标，其数值大小固定， 为机器人的运动方向，在第个时刻，机器人的中心位置在全局坐标系中为，超声波传感器的定位坐标即其在全局坐标系中的坐标表示为，坐标转换方程为：
（2-8）
采用超声波传感器，其精度受多种因素影响，如环境、温度、湿度、障碍物表面光滑度、障碍物表面大小，安装位置等等，对此，在应用超声波时，要以相应技术加以减小。
Claims (2)
1.一种基于多传感器的轮式机器人系统，其特征在于：由控制器、电机驱动、机器人、超声波传感器、GPS传感器、光电编码器、陀螺仪传感器构成；所述光电编码器、陀螺仪传感器分别连接控制器；所述GPS传感器、超声波传感器分别连接控制器；所述控制器连接控制电机驱动，所述电机驱动连接机器人。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的轮式机器人系统，其特征在于：所述系统通过GPS采集位置信息，陀螺仪采集机器人自身姿态信息，光电编码器作为转角采集，超声波作为距离采集，这些模块将采集的信号发送给控制器，然后控制器进行算法计算，将结果信号输送给 电机驱动，从而达到对机器人的控制。
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Publications (1)
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| CN (1) | CN106933221A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107942748A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-04-20 | 上海师范大学 | 一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1499324A (zh) * | 2002-11-06 | 2004-05-26 | 中国科学院自动化研究所 | 一种机器人位置和姿态的推算定位方法及装置 |
| CN204028697U (zh) * | 2014-04-16 | 2014-12-17 | 福建师范大学 | 一种具有自身定位功能的轮式移动机器人 |
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2015
- 2015-12-29 CN CN201511003033.2A patent/CN106933221A/zh active Pending
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