CN112904861A - 基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置及方法，包括：两个前进方向正交的单轴测距系统、方向伺服控制系统和控制器，每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，编码器用于采集全向轮的转动位移量，全向轮转动连接于机架上，方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架均与安装座连接；控制器，用于设置全局坐标系，并控制驱动装置驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同，通过两个全向轮的转动位移量，对移动机器人进行全局坐标系下的二维定位。实现了对移动机器人的二维定位。
Description
技术领域
本发明涉及机器人定位技术领域，尤其涉及基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
移动机器人定位就是确定机器人在世界坐标系中的坐标，常用的定位方法有航迹推算法、惯性导航法、视觉定位法等。
航迹推算法需在移动机器人车轮上装有编码器，通过对车轮转动记录实现位姿跟踪，其缺点是只能对机器人行走里程进行累加，较难获取机器人的二维定位信息。惯性导航法是从机器人一个已知坐标出发，陀螺仪测得角加速度的值，加速度计获得线加速度，通过角加速度和线加速度进行二次积分分别得到角度和位置，其推算是个累加的过程，测量值以及计算值都会累积误差，定位精度下降，因此只适用于短时间或短距离位姿跟踪，且高精度的陀螺仪成本较高不适用大面积推广。视觉定位法主要借助视觉传感器完成，采用SLAM或二维码识别等方法实现定位功能，但图像处理量巨大，一般计算机无法完成运算，实时性较差，且受光线条件限制较大，无法在黑暗环境中工作。此外还可采用UWB、GPS、信标等定位方式，但其定位功能实现往往对现场环境具有较高的要求，不能满足机器人灵活、快速定位的要求。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置及方法，通过驱动装置驱动两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同，从而通过采集两个全向轮的转动位移量，实现移动机器人在全局坐标系下的位置定位。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，包括：两个前进方向正交的单轴测距系统、方向伺服控制系统和控制器；
每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，编码器用于采集全向轮的转动位移量，全向轮转动连接于机架上；
方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架均与安装座连接；
控制器，用于设置全局坐标系，并控制驱动装置驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同，通过两个全向轮的转动位移量，对移动机器人进行全局坐标系下的二维定位。
第二方面，提出了基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位方法，包括：
设置两个前进方向正交的单轴测距系统，每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，全向轮转动连接于机架上，通过编码器采集全向轮的转动位移量；
设置控制全向轮前进方向的方向伺服控制系统，方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架与安装座连接；
设置全局坐标系；
通过方向伺服控制系统，驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同；
通过两个全向轮的转动位移量，实现移动机器人在全局坐标系下的二维定位。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开通过驱动装置驱动两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同，从而通过采集两个全向轮的转动位移量，实现移动机器人在全局坐标系下的位置定位，仅依靠机器人自身传感器即可实现二维定位，对机器人运行环境无要求，从而可满足快速、灵活的机器人定位要求。
2、本公开将传统基于主动轮的航迹推算改进为基于被动轮式，克服了主动轮在提供动力时易出现打滑从而导致推算误差难以控制的缺点。
3、本公开采用全向轮而非普通转轮的优势为全向轮可依靠其子转动轮抵消所受的轴向摩擦力，避免对其径向转动产生干扰。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1公开装置的整体结构图；
图2为本公开实施例1公开的单轴测距系统结构简图；
图3为本公开实施例1公开的全向轮主体的结构简图；
图4为本公开实施例1公开的方向伺服控制系统的结构爆炸图；
图5为本公开实施例1公开的连接板示意图；
图6为本公开实施例1公开的正交全向轮示意图；
图7为本公开实施例1公开的二维定位示意图。
其中：1、第一支撑轮毂，2、第二支撑轮毂，3、子转动轮，4、法兰盘，5、全向轮主体，6、转动轴，7、轴承，8、轴承座，9、支架，10、弹簧，11、导向杆，12、编码器，13、伺服电机，14、安装座，15、输出轴，16、联轴器，17、连接轴，18、通孔，19、连接孔，20、连接板，21、连接孔，22、连接孔，23、联轴器，24、方向伺服控制系统，25、单轴测距系统，26、地磁传感器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，包括：两个前进方向正交的单轴测距系统、方向伺服控制系统和控制器，每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，编码器用于采集全向轮的转动位移量，全向轮转动连接于机架上，方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架均与安装座连接；
控制器，用于设置全局坐标系，并控制驱动装置驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同，通过两个全向轮的转动位移量，对移动机器人进行全局坐标系下的二维定位。
进一步的，全向轮包括全向轮主体和转动轴，全向轮主体固定于转动轴上，随转动轴旋转，转动轴转动连接于机架上。
进一步的，编码器与转动轴连接。
进一步的，转动轴通过轴承转动连接于机架上。
进一步的，全向轮主体包括第一支撑轮毂和第二支撑轮毂，第一支撑轮毂和第二支撑轮毂上均等角度布置数量相等的子转动轮，第一支撑轮毂和第二支撑轮毂通过法兰盘固定于转动轴上。
进一步的，机架包括相连接的支架和减震装置，支架与全向轮转动连接，支架通过减震装置与安装座连接。
进一步的，减震装置包括导向杆和套设于导向杆上的弹簧，弹簧设置于支架和安装座之间，导向杆穿过安装座，并能沿安装座上下移动。
进一步的，驱动装置固定于连接板上，连接板用于与移动机器人连接。
进一步的，方向伺服控制系统还包括地磁传感器，地磁传感器用于获取全向轮的航向信息，控制器根据全向轮的航向信息，确定驱动装置驱动安装座的旋转量，驱动装置按该旋转量控制安装座旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同。
结合图1-7对本实施例公开的基于被动式正交全向轮的地面移动平台二维定位装置进行详细说明。
如图1所示，基于被动式正交全向轮的地面移动平台二维定位装置，包括，两个前进方向正交的单轴测距系统25、控制单轴测距系统25前进方向的方向伺服控制系统24和控制器。
两个单轴测距系统25的结构相同，如图2所示，均包括全向轮、编码器12和机架，其中，全向轮包括全向轮主体5和转动轴6，全向轮主体5固定于转动轴6上，使得全向轮主体5能够带动转动轴6共同旋转，机架包括相连接的支架9和减震装置，转动轴6通过轴承转动连接于支架9上，具体为，转动轴6的两端均穿过轴承7，轴承7安装于轴承座8中，轴承座8通过螺栓与支架9连接，从而使得转动轴6能够相对支架9转动，减震装置包括导向杆11和弹簧10，弹簧10套设于导向杆11上，导向杆11的一端与支架9连接，另一端穿过方向伺服控制系统24的安装座14，并能相对安装座14上下移动，弹簧10设置于支架9与安装座14之间，当地面起伏时，通过弹簧10和导向杆11提升全向轮与地面的接触效果，具备减震功能。
通过编码器12采集全向轮的转动位移量，在该实施例中，将编码器12通过联轴器23与转动轴6的一端连接。
全向轮主体5结构如图3所示，包括：第一支撑轮毂1和第二支撑轮毂2，第一支撑轮毂1与第二支撑轮毂2上均等角度布置有数量相等的子转动轮3，子转动轮不会主动旋转，而是依靠与地面运动的摩擦力产生被动旋转，从而起到减小轴向运动阻力的作用，其形状为两端小中间大的纺锤形，第一支撑轮毂1和第二支撑轮毂2通过法兰盘4固定于转动轴6上。法兰盘4用于全向轮5与转轴6的连接。
为了保证两个单轴测距系统25中全向轮的旋转方向始终与全局坐标系的方向一致，设置了方向伺服控制系统24，结构如图4所示，包括：地磁传感器26、驱动装置、安装座14和连接板20，驱动装置的输出轴与安装座14连接，输出轴旋转带动安装座14旋转，驱动装置固定于连接板20上，连接板20还用于与移动机器人连接。
在该实施例中，在安装座14上设置连接轴17，驱动装置选用伺服电机13，伺服电机13的输出轴15通过联轴器16与安装座14上的连接轴17连接，从而在伺服电机13旋转时带动安装座14同步转动，安装座14上设有四个通孔18，导向杆11从通孔18中穿过，并可沿通孔18上下移动，地磁传感器26固定于安装座14中，其地磁坐标系方向平行于全向轮的转动方向，用于获取全向轮的航向信息。
伺服电机13的侧面设置三个连接孔19，连接板20上设置三个与伺服电机13上连接孔19相对应的连接孔21，螺栓穿过连接孔19和连接孔21，将伺服电机固定于连接板20上。连接板20上还设置四个连接孔22，如图5所示，通过四个连接孔22将本实施例公开的二维定位状语与移动机器人连接。
本实施例中的全向轮安装于相互垂直的两个方向，如图6所示，用于分别测定机器人沿两个正交方向的位移量。
控制器，用于建立全局坐标系Ow，其中，全局坐标系Ow的Xw轴始终指向地理东方，Yw轴始终指向地理北方，建立全向轮坐标系Oc，其中，全向轮坐标系Oc的Xc轴与Yc轴分别与两个全向轮主体的径向平行，机器人行走过程中其航向会随时变化，此时该通过地磁传感器获取全向轮的航向信息，给出相对于地理北极的方向信号，该航向信息为航向角，控制器根据航向传感器获取的航向角，确定伺服电机驱动安装座的旋转量，伺服电机根据该旋转量驱动安装座旋转，从而调整正交全向轮的朝向，使得正交全向轮支撑轮毂的旋转方向始终与全局坐标系Ow的方向保持一致，则正交全向轮的位移量即为机器人在全局坐标系下的二维位置信息。
如图7所示，机器人从初始位置沿着行走轨迹运行到目标位置，假设Xc轴方向全向轮编码器转动的脉冲计数变化量为COUNT1，Yc轴方向全向轮编码器转动的脉冲计数变化量为COUNT2，则该段轨迹内机器人沿两个坐标轴方向的位移量△X、△Y可按照下式计算得到
△X＝pi*D*COUNT1/N
△Y＝pi*D*COUNT2/N
式中D为全向轮周长，N为转动360度时编码器输出的脉冲数，pi为圆周率值。
本实施例，将传统基于主动轮的航迹推算改进为基于被动轮式，克服了主动轮在提供动力时易出现打滑从而导致推算误差难以控制的缺点。
传统定位方式基于较短时间内机器人角度变化量较小的假设，然后将该段时间内的曲线运动等效为直线运动，继而借助机器人的航向信息对等效后的直线运动进行正交分解以获取二维运动信息，此种方式难以完成复杂轨迹行走时机器人的二维定位任务。本实施例所述方式弥补了上述方案的不足，通过伺服电机调整可使全向轮的旋转方向始终与全局坐标系方向保持一致，因而仅需读取全向轮的行走里程即可得出机器人的二维坐标。
本实施例采用全向轮而非普通转轮的优势为全向轮可依靠其子转动轮抵消所受的轴向摩擦力，避免对其径向转动产生干扰。
本实施例仅依靠机器人自身传感器即可实现二维定位，对机器人运行环境无要求，可满足快速、灵活的机器人定位要求。
实施例2
在该实施例中，公开了基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位方法，包括：
设置两个前进方向正交的单轴测距系统，每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，全向轮转动连接于机架上，通过编码器采集全向轮的转动位移量；
设置控制全向轮前进方向的方向伺服控制系统，方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架与安装座连接；
设置全局坐标系；
通过方向伺服控制系统，驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同；
通过两个全向轮的转动位移量，实现移动机器人在全局坐标系下的二维定位。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，包括：两个前进方向正交的单轴测距系统、方向伺服控制系统和控制器；
每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，编码器用于采集全向轮的转动位移量，全向轮转动连接于机架上；
方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架均与安装座连接；
控制器，用于设置全局坐标系，并控制驱动装置驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同，通过两个全向轮的转动位移量，对移动机器人进行全局坐标系下的二维定位。
2.如权利要求1所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，全向轮包括全向轮主体和转动轴，全向轮主体固定于转动轴上，随转动轴旋转，转动轴转动连接于机架上。
3.如权利要求2所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，编码器与转动轴连接。
4.如权利要求2所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，转动轴通过轴承转动连接于机架上。
5.如权利要求2所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，全向轮主体包括第一支撑轮毂和第二支撑轮毂，第一支撑轮毂和第二支撑轮毂上均等角度布置数量相等的子转动轮，第一支撑轮毂和第二支撑轮毂通过法兰盘固定于转动轴上。
6.如权利要求1所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，机架包括相连接的支架和减震装置，支架与全向轮转动连接，支架通过减震装置与安装座连接。
7.如权利要求6所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，减震装置包括导向杆和套设于导向杆上的弹簧，弹簧设置于支架和安装座之间，导向杆穿过安装座，并能沿安装座上下移动。
8.如权利要求1所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，驱动装置固定于连接板上，连接板用于与移动机器人连接。
9.如权利要求1所述的基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位装置，其特征在于，方向伺服控制系统还包括地磁传感器，地磁传感器用于获取全向轮的航向信息，控制器根据全向轮的航向信息确定驱动装置驱动安装座的旋转量，驱动装置按该旋转量控制安装座旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同。
10.基于被动式正交全向轮的移动机器人二维定位方法，其特征在于，包括：
设置两个前进方向正交的单轴测距系统，每个单轴测距系统均包括全向轮、编码器和机架，全向轮转动连接于机架上，通过编码器采集全向轮的转动位移量；
设置控制全向轮前进方向的方向伺服控制系统，方向伺服控制系统包括驱动装置和安装座，驱动装置的输出轴与安装座连接，两个单轴测距系统的机架与安装座连接；
设置全局坐标系；
通过方向伺服控制系统，驱动安装座旋转，进而带动两个单轴测距系统旋转，使两个全向轮的前进方向始终与全局坐标系方向相同；
通过两个全向轮的转动位移量，实现移动机器人在全局坐标系下的二维定位。
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