CN112857393A - 一种麦克纳姆轮平台的平面定位及里程计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种麦克纳姆轮平台的平面定位及里程计量方法，通过编码器采集平台在平台坐标上的脉冲增量，而后转换到空间坐标系上的脉冲增量，计算出平台在空间坐标系中的坐标，实现对麦克纳姆轮平台的平面定位。通过编码器采集每一周期内平台的移动距离，而后对平台的移动里程并不删档的累计，从而得出平台从使用之初至今的全部里程，实现对麦克纳姆轮使用寿命的监控。该计算方法十分的简单，定位成本性价比高，并且计算结果精确，配置成本低，在实际使用中性价比较高。

Description

一种麦克纳姆轮平台的平面定位及里程计量方法

技术领域

本发明涉及移动平台定位领域，特别涉及一种麦克纳姆轮平台的平面定位及里程计量方法。

背景技术

麦克纳姆轮依靠其全方位移动的特性已应用在众多领域，例如AGV移动平台、全方位移动叉车等。

在物联时代，对机器实时监控的需求在日益增加，因此对AGV移动平台、全方位移动叉车等机器在厂区内工作的实时位监控需求在不断加大。室内蓝牙、UWB等空间定位技术的成本非常高，且安装实施麻烦，基站损坏将会影响整个空间的定位，并且麦克纳姆轮因其方向的分解性，其里程数很难直接测量。

有鉴于此，一种高性价比的麦克纳姆轮平台里程计量及其室内平面定位技术的具体实现方法亟待研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种麦克纳姆轮平台的平面定位与里程计量方法。

本发明要解决的是现有麦克纳姆轮移动平台的定位方法较为复杂且里程计量不易的问题。

为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，包括以下步骤：建立空间坐标系及平台坐标系；通过编码器采集平台每一麦克纳姆轮的脉冲数；单次采集周期内，平台坐标系的X轴和Y轴上的脉冲增量分别为P_x_increment和P_y_increment；将P_x_increment和P_y_increment转换到空间坐标系上，得到空间坐标系上X1轴和Y1轴上的脉冲增量Psyn_x1_increment和Psyn_y1_increment；根据空Psyn_x1_increment和Psyn_y1_increment得到空间坐标系上X1轴和Y1轴的累计脉冲数Psyn_x1和Psyn_y1；根据Psyn_x1和Psyn_y1得到平台的空间坐标X1和Y1；将X1和Y1发送至用户界面实时监控。

进一步地，单次采集周期内，平台坐标系的X轴和Y轴上的脉冲增量分别为：

P_x_increment＝(P_c+P_a)/2；

P_y_increment＝(P_b-P_d)/2；

其中，所述P_a，P_b，P_c，P_d依次为位于平台坐标系中四个麦克纳姆轮的脉冲计数，a轮位于第一象限，b轮位于第四象限，c轮位于第二象限，d轮位于第三象限里的。

进一步地，空间坐标系上X轴和Y轴上的脉冲增量分别为：

Psyn_x1_increment＝P_x_increment*cos(Yaw)-P_y_increment*sin(Yaw)；

Psyn_y1_increment＝P_x_increment*sin(Yaw)+P_y_increment*cos(Yaw)；

其中，所述Yaw为平台坐标系与空间坐标系的夹角，所述Yaw通过麦克纳姆轮平台控制系统内部嵌入的陀螺仪获取。

进一步地，空间坐标系的X轴和Y轴上的累计脉冲数为：

Psyn_x1＝Psyn_x1_last+Psyn_x1_increment；

Psyn_y1＝Psyn_y1_last+Psyn_y1_increment；

其中，Psyn_x1_last和Psyn_y1_last为上一个编码器采集周期空间坐标系的X1轴及Y1轴上累计的脉冲数。

进一步地，平台的空间坐标为：

X1＝Psyn_x1/N*D*π；

Y1＝Psyn_y1/N*D*π；

其中，所述N为编码器单圈脉冲总数；所述D为麦克纳姆轮的外径。

进一步地，空间坐标系的建立方法的步骤为：

平台的控制系统初始化；

陀螺仪以平台当前的方位为基准建立坐标系，该坐标系为空间坐标系。

一种麦克纳姆轮平台的里程计量方法，包括以下步骤：建立平台坐标系；通过编码器采集平台每一麦克纳姆轮的脉冲数；单次采集周期内，平台坐标系X轴和Y轴上的脉冲增量P_x_increment和P_y_increment；根据P_x_increment和P_y_increment得到平台在X轴和Y轴上的运动路程投影S_x和S_y；根据S_x和S_y合成平台在每个采集周期内的移动路程S；将平台每个采集周期内获取的路程S累加。

进一步地，单次采集周期内，平台坐标系X轴和Y轴上的脉冲增量分别为：

P_x_increment＝(P_c+P_a)/2；

P_y_increment＝(P_b-P_d)/2；

其中，所述P_a，P_b，P_c，P_d依次为位于平台坐标系中四个麦克纳姆轮的脉冲计数，a轮位于第一象限，b轮位于第四象限，c轮位于第二象限，d轮位于第三象限里的。

进一步地，平台在平台坐标系的X轴和Y轴上的运动路程投影为：

S_x＝P_x_increment/N*D*π；

S_y＝P_y_increment/N*D*π；

其中，所述N为编码器单圈脉冲总数；所述D为麦克纳姆轮的外径。

进一步地，平台在每个采集周期内的移动路程

与现有技术相比，本发明技术方案及其有益效果如下：

(1)本发明的麦克纳姆轮平台的平面定位方法，通过编码器采集平台在平台坐标上的脉冲增量，而后转换到空间坐标系上的脉冲增量，计算出平台在空间坐标系中的坐标，实现对麦克纳姆轮平台的平面定位。该计算方法十分的简单，定位成本性价比高，并且计算结果精确。

(2)本发明的麦克纳姆轮平台的里程计量方法，通过编码器的累积每次采集周期内，平台的移动位移并不删档的累计，从而得出平台从使用之初至今的全部里程。由于麦克纳姆轮轮胎损耗比一般轮胎损耗得快，计算里程数可以很好的对平台轮胎或其他器件使用寿命的监控。

附图说明

图1本发明提供的麦克纳姆轮平台的平台坐标系示意图；

图2本发明提供的麦克纳姆轮平台的空间坐标系示意图。

具体实施方式

现有技术中，对麦克纳姆轮的定位多采用蓝牙或UWB等空间定位技术，大多定位成本高，安装实施较为麻烦，并且因为麦克纳姆轮在方向上的分解性，使得平台很难直接测量出里程数，因此对于平台轮胎的使用寿命缺乏监管。

所以本发明提出新的方案，以解决现有存在的不足。

参见图1及图2，一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，包括以下步骤：

建立空间坐标系及平台坐标系，通过平台的控制系统对平台的空间坐标初始化统，使得当下的平台坐标系即为空间坐标系，该坐标系为绝对坐标系，陀螺仪以该空间坐标系为基准，在此后平台工作中，该空间坐标的坐标轴方向及原点均不随着平台的移动而变化。可以理解的是，在初始化后，定义空间坐标时，当下平台的中心点为原点O，前进方向为空间坐标系的X1轴，垂直X1轴的左转为空间坐标系的Y1轴方向，那么在平台坐标系中，亦是设定平台前进方向为平台坐标系的X轴，垂直X轴的左转方向为平台坐标系的Y方向。即，初始化时，空间坐标系采用都是平台的什么方位建立的坐标系，那么平台坐标系亦采用同方位为平台的坐标系。

通过编码器采集平台每一麦克纳姆轮的脉冲数，每一麦克纳姆轮独立配置有一个增量式编码器，增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。在平台坐标系中，编码器正转一个脉冲，计数+1，反转一个脉冲，计数-1。本实施例中，对四个麦克纳姆轮采集到的脉冲个数为P_a，P_b，P_c，P_d，a轮位于第一象限，b轮位于第四象限，c轮位于第二象限，d轮位于第三象限里的。

麦克纳姆轮平台在X轴方向的速度为V_x，Y轴方向的速度为V_y，那么a、b、c及d轮的速度分别为V_a＝-V_y+V_x，V_b＝V_y+V_x，V_c＝V_y+V_x，V_d＝-V_y+V_x。在通过麦克纳姆轮运动逆解析公式可知，平台在平台坐标系的X轴上速度V_x＝(V_a+V_c)/2，在Y轴上的速度V_y＝(V_b-V_d)/2。因此在编码器的单次采集周期内，平台坐标系的X轴和Y轴上的脉冲增量P_x_increment＝(P_a+P_c)/2，P_y_increment＝(P_b-P_d)/2。

在编码器的单次采集周期内，平台坐标系X轴和Y轴上的脉冲增量P_x_increment和P_y_increment转换成空间坐标，得到空间坐标系上X1轴的脉冲增量为：

Psyn_x1_increment＝P_x1_increment*cos(Yaw)-P_y1_increment*sin(Yaw)，

空间坐标系上Y1轴的脉冲增量为：

Psyn_y1_increment＝P_x1_increment*sin(Yaw)+P_y1_increment*cos(Yaw)。

这里的Yaw为平台坐标系与空间坐标系的夹角，而夹角Yaw通过麦克纳姆轮平台控制系统内部嵌入的陀螺仪获取。

平台坐标在空间坐标系的X1轴和Y1轴上累计的脉冲数分别为：

Psyn_x1＝Psyn_x1_last+Psyn_x1_increment

Psyn_y1＝Psyn_y1_last+Psyn_y1_increment

其中，Psyn_x1_last和Psyn_y1_last为上一个编码器采集周期空间坐标系的在X1轴及Y1轴上累计的脉冲数。

根据Psyn_x1和Psyn_y1得到平台的空间坐标X1和Y1，X1＝Psyn_x1/N*D*π，Y1＝Psyn_y1/N*D*π，这里的N为编码器单圈脉冲总数，D为麦克纳姆轮的外径。最终将得到的麦克纳姆轮平台在空间坐标系上的坐标(X1，Y1)通过无线通信技术发送至人机交互界面实时显示，从而便于实时对平台定位进行监控。

本实施例里还提供了一种麦克纳姆轮平台的里程计量方法。

首先建立平台坐标系，本实施例中，以平台的中心点为原点，平台的前进方向为X轴，垂直X轴的左方为Y轴，平台的四个麦克纳姆轮分别定义为a、b、c及d轮，其中，a轮在平台坐标系的第一象限，b轮在第四象限，c轮在第二象限，d轮在第三象限。

每一麦克纳姆轮对应配置有一个增量式编码器，通过编码器采集每一麦克纳姆轮的脉冲计数，在平台坐标系中，编码器正转一个脉冲，计数+1，反转一个脉冲，计数-1。本实施例中，对四个麦克纳姆轮采集到的脉冲个数为P_a，P_b，P_c，P_d。

在编码器的单次采集周期内，平台坐标系X轴和Y轴上的脉冲增量P_x_increment＝(P_a+P_c)/2，P_y_increment＝(P_b-P_d)/2。在编码器的一个采集周期内，平台在X轴的运动路程投影为S_x＝P_x_increment/N*D*π，在Y轴上的运动路程投影为S_y＝P_y_increment/N*D*π，这里的N为编码器单圈脉冲总数；D为麦克纳姆轮的外径。通过勾股定理可知，在编码器一个采集周期内，平台的移动距离

而后将每一个采集周期内得到的S累加写入非易失性存储器中，得到麦克纳姆轮平台从使用至今的所有移动路程，从而对麦克纳姆轮的使用寿命进行监控，以及对平台的其他器件的使用寿命有一个大致的估算判断。

需要注意的是，在编码器的一个采集周期内，平台可能存在换向的可能性，即麦克纳姆轮在同一个轴上的脉冲计数可能存在抵消的情况，例如编码器的脉冲采集周期为10ms，向X轴正半轴转了10个脉冲，又向X负半轴方向转了5个脉冲，最终计数得到在X轴上的脉冲计数为5，而实际的路程计数应该为15个脉冲，因此在路程累计上，若在编码器的一个采集周期内平台出现换向的情况，则在总里程的统计上会出现一定的误差。但是由于编码器的一个采集周期非常非常的短，例如10ms，该时间对于平台运动时间来说非常短，并且控制系统通过PID算法对平台移动进行控制，在换向的时候，平台的移动速度也是非常低的。因此在t小、v小的情况下，平台的移动距离s亦十分的微小。因此因为在编码器同一个采集周期内发生平台换向而造成的脉冲计数的抵消对平台的里程累积是微乎其微的，忽略不计。

本发明通过基于编码器的脉冲计数即可对平台进行定位以及总里程进行一个监控，配置简单，计算便捷，具有非常高的性价比，在实际使用中十分的实用。

需要说明的是，本发明中提到的空间坐标系以及平台坐标系的X轴与Y轴的方向，可以根据实际情况设定方向，平台的四个麦克纳姆轮的定义也可以根据实际需要定义，以上的具象化的字母定义，仅为便于描述本发明的方案的作用。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立空间坐标系及平台坐标系；

通过编码器采集平台每一麦克纳姆轮的脉冲数；

在编码器的单次采集周期内，平台坐标系在X轴和Y轴上的脉冲增量分别为P_x_increment和P_y_increment；

将P_x_increment和P_y_increment转换到空间坐标系上，得到空间坐标系的X轴和Y轴上的脉冲增量Psyn_x1_increment和Psyn_y1_increment；

根据Psyn_x1_increment和Psyn_y1_increment得到空间坐标系的X轴和Y轴上的累计脉冲数Psyn_x1和Psyn_y1；

根据Psyn_x1和Psyn_y1得到平台在空间坐标系上的空间坐标X1和Y1；

将X1和Y1发送至用户界面实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，其特征在于，所述在编码器的单次采集周期内，平台坐标系的X轴和Y轴上的脉冲增量分别为：

P_x_increment＝(P_c+P_a)/2；

P_y_increment＝(P_b-P_d)/2；

其中，所述P_a，P_b，P_c，P_d依次为位于平台坐标系中四个麦克纳姆轮的脉冲计数，a轮位于第一象限，b轮位于第四象限，c轮位于第二象限，d轮位于第三象限里的。

3.根据权利要求2所述的一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，其特征在于，所述空间坐标系的X1轴和Y1轴上的脉冲增量分别为：

Psyn_x1_increment＝P_x_increment*cos(Yaw)-P_y_increment*sin(Yaw)；

Psyn_y1_increment＝P_x_increment*sin(Yaw)+P_y_increment*cos(Yaw)；

其中，所述Yaw为平台坐标系与空间坐标系的夹角，所述Yaw通过麦克纳姆轮平台控制系统内部嵌入的陀螺仪获取。

4.根据权利要求3所述的一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，其特征在于，所述空间坐标系的X1轴和Y1轴上的累计脉冲数为：

Psyn_x1＝Psyn_x1_last+Psyn_x1_increment；

Psyn_y1＝Psyn_y1_last+Psyn_y1_increment；

其中，Psyn_x1_last和Psyn_y1_last为上一个编码器采集周期空间坐标系的在X轴及Y轴上累计的脉冲数。

5.根据权利要求4所述的一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，其特征在于，所述平台在空间坐标系上的空间坐标为：

X1＝Psyn_x1/N*D*π；

Y1＝Psyn_y1/N*D*π；

其中，所述N为编码器单圈脉冲总数；所述D为麦克纳姆轮的外径。

6.根据权利要求1所述的一种麦克纳姆轮平台的平面定位方法，其特征在于，所述空间坐标系的建立方法的步骤为：

通过平台的控制系统对平台的空间坐标初始化；

陀螺仪以平台当前的方位为基准建立坐标系，该坐标系为空间坐标系。

7.一种麦克纳姆轮平台的里程计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立平台坐标；

通过编码器采集平台每一麦克纳姆轮的脉冲计数；

在编码器的单次采集周期内，平台坐标系X轴和Y轴上的脉冲增量P_x_increment和P_y_increment；

根据P_x_increment和P_y_increment得到平台在X轴和Y轴上的运动路程投影S_x和S_y；

根据S_x和S_y合成平台在每个采集周期内的移动路程S；

将平台每个采集周期内获取的路程S累加。

8.根据权利要求7所述一种麦克纳姆轮平台的里程计量方法，其特征在于，所述单次采集周期内，平台坐标系的X轴和Y轴上的脉冲增量分别为：

P_x_increment＝(P_c+P_a)/2；

P_y_increment＝(P_b-P_d)/2；

其中，所述P_a，P_b，P_c，P_d依次为位于平台坐标系中四个麦克纳姆轮的脉冲计数，a轮位于第一象限，b轮位于第四象限，c轮位于第二象限，d轮位于第三象限里的。

9.根据权利要求8所述一种麦克纳姆轮平台的里程计量方法，其特征在于，所述平台在平台坐标系的X轴和Y轴上的运动路程投影为：

S_x＝P_x_increment/N*D*π；

S_y＝P_y_increment/N*D*π；

其中，所述N为编码器单圈脉冲总数；所述D为麦克纳姆轮的外径。

10.根据权利要求9所述一种麦克纳姆轮平台的里程计量方法，其特征在于，所述平台在每个采集周期内的移动路程

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