CN111251303A - 一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法 - Google Patents

一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，属于轮式机器人运动控制领域。本发明包括如下步骤：建立机器人的非完整运动学模型；进行机器人位置坐标、姿态角度的信息获取；计算机器人方向角与目标点位置角的差值以及机器人到目标点的距离ρ；通过位置姿态检测、速度检测、电流检测，结合预期值进行闭环控制直至上述检测信号满足预期值；设置机器人位置检测周期为T，在一个周期T内机器人检测自身的位置姿态信息，根据其与目标点的关系，进行相应的姿态调整，直至完成机器人运动至目标。本发明要解决的技术问题是提供一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，能够降低运动控制时间长和对处理器处理性能要求，进而降低成本。

Description

一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法
技术领域
本发明涉及一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，特别涉及一种周期性姿态调整的机器人到目标点的运动控制方法，属于轮式机器人运动控制领域。
背景技术
随着信息技术在现代战争中扮演越来越重要的角色，战争的形式以及方式正在发生着日新月异的变化。在军事变革的浪潮中，传统地机器固定不动、不能自主布局、不能自愈的缺点将极大地削弱机器在现代战争中的作用。发展能够自主布局自愈的自主式网络化机器人成为了必然趋势。自主式网络化机器人的执行机构是机器人。其自主布局和自愈的过程需要每个机器人准确有效地完成相应的运动指令集。机器人的运动控制是整个机器人能否发挥作战效能的关键。
现有的轮式机器人的运动控制方法，大都采用实时位置姿态调整，控制效果好，但对机器人处理器要求较高，成本较高，同时也增加了运动控制的时间。而自主式网络化机器人对于成本和时效性的要求更高。现有的运动控制方法很难满足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有轮式机器人运动控制过程中存在的运动控制时间长、对处理器要求高的问题，提供一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，该方法能够降低运动控制时间长和对处理器处理性能要求，进而降低成本。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，包括如下步骤：
步骤一：对机器人运动机理进行分析，建立机器人的非完整运动学模型。
Figure BDA0002406899990000021
其中v1为机器人左轮前进速度，v2为右轮前进速度，l为两轮之间的距离，(x,y)为机器人的位置坐标，θ为机器人方向角。
步骤二：结合式(1)，运用卫星导航定位系统的绝对定位方式、并配合机器人左、右轮转动的角度值累加的相对定位方式，即式(2)，进行机器人位置坐标(x,y)、方向角θ的信息获取，所述机器人位置坐标(x,y)、方向角θ的信息作为为步骤三中位置姿态检测信号。
Figure BDA0002406899990000022
其中，所述机器人位置坐标(x,y)的实时坐标值为(xn+1，yn+1)，(xn，yn)为Δt时刻前机器人位置坐标。机器人方向角θ的实时值为θn+1，θn为Δt时刻前机器人的方向角；L为机器人前进距离，
Figure BDA0002406899990000023
分别为左右驱动轮转动的角度值，d为机器人驱动轮直径。
所述的卫星导航定位系统优选北斗定位系统。
步骤三：根据步骤二所得参数计算机器人方向角与目标点位置角的差值α以及机器人到目标点的距离ρ。
Figure BDA0002406899990000024
其中(x,y)为机器人坐标，θ为机器人方向角，(x2,y2)为目标点坐标。
步骤四：机器人的运动控制为闭环控制系统，将步骤二和步骤三所得参数作为闭环控制系统的输入，再通过位置姿态检测、速度检测和电流检测，将上述检测信号进行反馈。结合预期值进行闭环控制直至上述检测信号满足预期值。
所述的预期值为预设的位置姿态值、速度值和电流值。
步骤五：设置机器人位置检测周期为T，在一个周期T内机器人首先检测自身的位置姿态信息，根据步骤三所得机器人方向角θ与目标点位置角的差值α调整机器人方向角θ，使机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差。
步骤六：根据步骤三机器人到目标点的距离ρ，判断机器人到目标点的距离是否在预设允许误差内，如果机器人到目标点的距离在预设允许误差内，则机器人完成运动至目标；如果机器人到目标点的距离不在预设允许误差内，则判断机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差，如果机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差，机器人采取直线运动；如果不满足机器人方向角θ与目标点位置角的差值α预设允许误差，重复步骤五调整机器人方向角，当机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差时机器人采取直线运动，直到机器人到目标点的距离ρ在预设允许误差内，即完成机器人运动至目标。
步骤七：根据智能机器人自主布局需求，根据步骤一至步骤六所述的周期性姿态调整的机器人运动控制方法实现对机器人的姿态调整和运动控制，直至满足智能机器人自主布局的位置需求。
所述的智能机器人自主布局需求包括自组网需求、自愈需求。
有益效果：
1、本发明公开的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，由于已有技术采用实时调整，调整次数多、时间长，而本发明结合机器人对位置精度要求不高的特点，采用周期性调整的方法，能够降低调整次数，能够缩短调整时间。
2、本发明公开的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，由于调整频率低，能够减少所需处理的数据量，进而降低对对处理器处理性能要求，进而降低成本。
附图说明
图1是机器人运动学模型图；
图2是机器人闭环控制系统示意图；
图3是Simwise 4D环境下建立的机器人模型；
图4是机器人运动控制系统Simulink模型；
图5是机器人向目标移动的偏转角速度曲线；
图6是机器人向目标移动的速度曲线；
图7是机器人到达目标点附近的运动轨迹图；
图8是机器人到达目标点运动控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例从自主式网络化机器人的需求出发，结合两轮机器人的运动特点，本实施例公开一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，在二维直角坐标系下建立的运动学模型如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：对两轮机器人运动机理进行分析，建立如公式(1)所示的两轮机器人的非完整运动学模型方程。
Figure BDA0002406899990000041
其中v1为机器人左轮前进速度，v2为右轮前进速度，l为两轮之间的距离，(x,y)为机器人的位置坐标，θ为机器人方向角。
步骤二：由于机器人的工作环境未知，需要通过北斗定位系统获取其初始位置的坐标，机器人向目标移动过程中，采用相对定位的方法。通过编码器采集的左、右轮转动的角度值，通过累加方程，得机器人的实时位置坐标以及前进方向角。其累加方程如公式(2)。
Figure BDA0002406899990000042
其中所述机器人位置坐标(x,y)的实时坐标值为(xn+1，yn+1)，(xn，yn)为Δt时刻前机器人位置坐标。机器人方向角θ的实时值为θn+1，θn为Δt时刻前机器人的方向角；L为机器人前进距离，
Figure BDA0002406899990000043
分别为左右驱动轮转动的角度值，d为机器人驱动轮直径。
所述的卫星导航定位系统优选北斗定位系统。
步骤三：计算机器人方向角与目标点位置角的差值α以及机器人到目标点的距离ρ，计算方程如公式(3)所示：
Figure BDA0002406899990000051
其中(x,y)为机器人坐标，θ为机器人方向角，(x2,y2)为目标点坐标。
步骤四：机器人的运动控制为闭环控制系统，通过位置姿态检测、速度检测、电流检测，将上述检测信号进行反馈。结合预期值进行调整直至上述检测信号满足预期值。
步骤四的具体实现方法为：
机器人的运动控制的闭环控制系统如图2所示，机器人通过角速度测量传感器获取机器人实时速度信息，并将速度信息进行反馈。机器人主控单元根据反馈的速度信息，调整机器人的前进速度，使其达到预期值。将通过导航定位模块获取的机器人实时位置姿态信息进行反馈，结合预期值进行调整，保持机器人的位置姿态满足预期位置姿态。通过AD采样，将获取的驱动电路的电流信息进行反馈，来完成电流的反馈调节。
步骤五：设置机器人位置检测周期为T，在一个周期T内机器人首先检测自身的位置姿态信息，根据步骤三机器人方向角与目标点位置角的差值α调整机器人方向角θ，使机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差。
步骤六：根据步骤三机器人到目标点的距离ρ，判断机器人到目标点的距离是否在预设允许误差内，如果机器人到目标点的距离在预设允许误差内，则机器人完成运动至目标；如果机器人到目标点的距离不在预设允许误差内，则判断机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差，如果机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差，机器人采取直线运动；如果不满足机器人方向角θ与目标点位置角的差值α预设允许误差，重复步骤五调整机器人方向角，当机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差时机器人采取直线运动，直到机器人到目标点的距离在预设允许误差内，即完成机器人运动至目标。
步骤七：根据自主式网络化机器人的需求，根据步骤一至步骤六所述的周期性姿态调整的机器人运动控制方法实现对机器人的姿态调整和运动控制，使机器人从初始位置到达目标点，直至满足自主式网络化机器人自主布局、自愈的位置需求。
本实施例从自主式网络化机器人的需求出发，结合两轮机器人的运动特点，本实施例公开一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，在Simwise 4D中建立的机器人模型如图3所示。机器人主身为一整体，左右两轮通过电机模块与主身连接，两轮与地面有摩擦关系。在Simulink中建立的机器人运动控制模型如图4所示。机器人运动仿真的结果为图5-7，图5是机器人向目标移动的偏转角速度曲线，图6是机器人向目标移动的速度曲线，图7是机器人到达目标点附近的运动轨迹图。由图5-7可以看出，根据自主式网络化机器人的需求，根据本实施例的控制方法机器人完成运动至目标点的任务的前提下，机器人运动控制采用周期性调整的方法，能够降低调整次数、缩短调整时间、减少所需处理的数据量，进而降低对对处理器处理性能要求，进而降低成本。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：对机器人运动机理进行分析，建立机器人的非完整运动学模型；
步骤二：运用卫星导航定位系统的绝对定位方式、并配合机器人左、右轮转动的角度值累加的相对定位方式，进行机器人位置坐标(x,y)、方向角θ的信息获取，所述机器人位置坐标(x,y)、方向角θ的信息作为为步骤三中位置姿态检测信号；
步骤三：计算机器人方向角θ与目标点位置角的差值α以及机器人到目标点的距离ρ；
步骤四：机器人的运动控制为闭环控制系统，通过位置姿态检测、速度检测、电流检测，将上述检测信号进行反馈；结合预期值进行闭环控制直至上述检测信号满足预期值；
所述的预期值为预设的位置姿态值、速度值、电流值；
步骤五：设置机器人位置检测周期为T，在一个周期T内机器人首先检测自身的位置姿态信息，根据步骤三机器人方向角与目标点位置角的差值α调整机器人方向角θ，使机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差；
步骤六：根据步骤三机器人到目标点的距离ρ，判断机器人到目标点的距离是否在预设允许误差内，如果机器人到目标点的距离在预设允许误差内，则机器人完成运动至目标；如果机器人到目标点的距离不在预设允许误差内，则判断机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差，如果机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差，机器人采取直线运动；如果不满足机器人方向角θ与目标点位置角的差值α预设允许误差，重复步骤五调整机器人方向角，当机器人方向角θ与目标点位置角的差值α满足预设允许误差时机器人采取直线运动，直到机器人到目标点的距离ρ在预设允许误差内，即完成机器人运动至目标。
2.根据权利要求1所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：还包括步骤七，根据智能机器人自主布局需求，根据步骤一至步骤六所述的周期性姿态调整的机器人运动控制方法实现对机器人的姿态调整和运动控制，直至满足智能机器人自主布局位置需求。
3.根据权利要求1或2所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：所述的卫星导航定位系统选用北斗定位系统。
4.根据权利要求1或2所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：
步骤一中建立机器人的非完整运动学模型，针对两轮机器人，建立如公式(1)所示的两轮机器人的非完整运动学模型方程；
Figure FDA0002406899980000021
其中：v1为机器人左轮前进速度，v2为右轮前进速度，l为两轮之间的距离，(x,y)为机器人的位置坐标，θ为机器人运动方向角。
5.根据权利要求1或2所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：所述的步骤二具体实现方法为，
由于机器人的工作环境未知，需要通过北斗定位系统获取其初始位置的坐标，机器人向目标移动过程中，采用相对定位的方法；通过编码器采集的左、右轮转动的角度值，通过累加方程，得机器人的实时位置坐标以及前进方向角，其累加方程如公式(2)；
Figure FDA0002406899980000022
其中：所述机器人位置坐标(x,y)的实时坐标值为(xn+1，yn+1)，(xn，yn)为Δt时刻前机器人位置坐标；机器人方向角θ的实时值为θn+1，θn为Δt时刻前机器人的方向角；L为机器人前进距离，
Figure FDA0002406899980000023
分别为左右驱动轮转动的角度值，d为机器人驱动轮直径。
6.根据权利要求1或2所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：
步骤三：计算机器人方向角与目标点位置角的差值α以及机器人到目标点的距离ρ，计算方程如公式(3)所示，
Figure FDA0002406899980000031
其中：(x,y)为机器人坐标，θ为机器人方向角，(x2,y2)为目标点坐标。
7.根据权利要求1或2所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：步骤四的具体实现方法为，
机器人的运动控制为闭环控制系统，机器人通过角速度测量传感器获取机器人实时速度信息，并将速度信息进行反馈；机器人主控单元根据反馈的速度信息，调整机器人的前进速度，使前进速度达到预期值；将通过导航定位模块获取的机器人实时位置姿态信息进行反馈，结合预期值进行调整，保持机器人的位置姿态满足预期位置姿态；通过AD采样，将获取的驱动电路的电流信息进行反馈，来完成电流的反馈调节。
8.根据权利要求1或2所述的一种周期性姿态调整的机器人运动控制方法，其特征在于：所述的智能机器人自主布局需求包括自组网需求、自愈需求。
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