CN113075931B - 一种三轮全向移动机器人及其运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三轮全向移动机器人及其运动控制方法，三轮全向移动机器人包括Y型底盘，Y型底盘上设置有基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块和控制器；基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块分别与控制器相连。本发明在满足全向移动机器人定位精度要求的基础上，解决了现有定位技术的高成本、对CPU高要求及高研发难度的问题，为全向机器人的自主定位提供了一种经济可行的解决方法。

Description

一种三轮全向移动机器人及其运动控制方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种三轮全向移动机器人及其运动控制方法。
背景技术
目前，全向机器人的运动控制及自定位主要是码盘定位、激光雷达定位、视觉定位、全球定位系统(GPS)定位和超宽带(UWB)定位。
码盘定位：适用于短距离的移动，长距离的行走误差较大。难以完成复杂路线的行进。
激光雷达：虽然定位精度很高，但成本昂贵。
视觉定位：主要借助摄像头完成，应用领域广泛，但摄像头成本较高、图像处理量巨大，对中央处理器(CPU)要求较高且实时性差。
GPS定位：只能应用于室外场景的定位，不适用于室内定位。
UWB定位：室内定位精度高，但至少需要3个基站的支持，成本高且研发难度高。
对于使用在固定路线上的移动机器人，例如仓库内的物流机器人，由于其环境因素和成本因素的限制，激光雷达、视觉定位、GPS定位和UWB定位均不适用，码盘定位虽然在固定路线(非复杂路线)中适用，但是在长时间的运行下，由于累计误差、轮子打滑以及场地等原因会造成运动偏差，进而与设定运动路径偏离产生较大的误差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种三轮全向移动机器人及其运动控制方法解决了现有移动机器人成本高或移动控制效果差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种三轮全向移动机器人，其包括Y型底盘，Y型底盘上设置有基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块和控制器；基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块分别与控制器相连；
基础定位模块，用于获取三轮全向移动机器人的运动数据；
辅助定位模块，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的相对位置数据；
全向运动模块，包括设置在Y型底盘上的三个全向轮，三个全向轮彼此间隔120°，三个全向轮与Y型底盘中心的距离相等；
控制器，用于驱动三轮全向移动机器人运动、根据基础定位模块和辅助定位模块的数据对三轮全向移动机器人进行定位及位置修正。
进一步地，基础定位模块包括光电编码器和陀螺仪；
光电编码器，用于获取三轮全向移动机器人的运动速度；
陀螺仪，用于获取姿态角数据；
通过控制器将由光电编码器获取的运动速度乘以光电编码器获取数据的时间周期得到三轮全向移动机器人的行进距离；通过控制器将行进距离分别与陀螺仪获取的姿态角数据的正弦和余弦相乘，得到三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横坐标和纵坐标。
进一步地，辅助定位模块设置为三组，三组辅助定位模块彼此间隔120°，三组辅助定位模块与Y型底盘中心的距离相等；每组辅助定位模块均包括两个光电传感器和一个超声波传感器；同属于一组辅助定位模块中的两个光电传感器以左右对称的方式安装在Y型底盘的底部；
光电传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的偏离方向；
超声波传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的距离；
通过控制器根据光电传感器获取的偏离方向生成角度校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定角度，完成三轮全向移动机器人的角度校正；通过控制器根据超声波传感器获取的距离生成距离校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定距离，完成三轮全向移动机器人的距离校正。
提供一种三轮全向移动机器人的运动控制方法，其包括以下步骤：
S1、通过基础定位模块获取三轮全向移动机器人的运动数据和姿态数据；
S2、根据三轮全向移动机器人的运动数据和姿态数据计算三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横纵坐标；
S3、根据计算得到的横纵坐标判断三轮全向移动机器人是否到达既定坐标；
S4、通过辅助定位模块获取三轮全向移动机器人相对于路径上参考点的相对位置；
S5、根据三轮全向移动机器人相对于路径上参考点的相对位置对三轮全向移动机器人进行横向校正和纵向校准，使三轮全向移动机器人的真实坐标为既定坐标；
S6、判断三轮全向移动机器人是否到达目的地，若是则结束运动控制，否则进入步骤S7；
S7、根据导航规划将三轮全向移动机器人导航至下一个既定坐标处，并返回步骤S1。
进一步地，步骤S1中基础定位模块包括用于获取运动速度的光电编码器和用于获取姿态角数据的陀螺仪。
进一步地，步骤S2的具体方法为：
通过控制器将由光电编码器获取的运动速度乘以光电编码器获取数据的时间周期得到三轮全向移动机器人的行进距离；通过控制器将行进距离分别与陀螺仪获取的姿态角数据的正弦和余弦相乘，得到三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横纵坐标。
进一步地，步骤S4中辅助定位模块设置为三组，三组辅助定位模块彼此间隔120°，三组辅助定位模块与Y型底盘中心的距离相等；每组辅助定位模块均包括两个光电传感器和一个超声波传感器；同属于一组辅助定位模块中的两个光电传感器以左右对称的方式安装在Y型底盘的底部；
光电传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的偏离方向；
超声波传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的距离。
进一步地，步骤S5的具体方法为：
通过控制器根据光电传感器获取的偏离方向生成角度校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定角度，完成三轮全向移动机器人的角度校正；通过控制器根据超声波传感器获取的距离生成距离校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定距离，完成三轮全向移动机器人的距离校正，使三轮全向移动机器人的真实坐标为既定坐标。
本发明的有益效果为：本发明在满足全向移动机器人定位精度要求的基础上，解决了现有定位技术的高成本、对CPU高要求及高研发难度的问题，为全向机器人的自主定位提供了一种经济可行的解决方法。
附图说明
图1为本移动机器人的系统硬件结构框图；
图2为本运动控制方法的流程示意图；
图3为全向运动模块的物理学模型示意图；
图4为仅依靠陀螺仪的反馈和电机编码器的控制得到的误差示意图；
图5为本方法处理后机器人的误差示意图；
图6为没有校正的情况下误差的累积效应与抑制效果的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该三轮全向移动机器人包括Y型底盘，Y型底盘上设置有基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块和控制器；基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块分别与控制器相连；
基础定位模块，用于获取三轮全向移动机器人的运动数据；
辅助定位模块，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的相对位置数据；
全向运动模块，包括设置在Y型底盘上的三个全向轮，三个全向轮彼此间隔120°，三个全向轮与Y型底盘中心的距离相等；
控制器，用于驱动三轮全向移动机器人运动、根据基础定位模块和辅助定位模块的数据对三轮全向移动机器人进行定位及位置修正。
基础定位模块包括光电编码器和陀螺仪；
光电编码器，用于获取三轮全向移动机器人的运动速度；
陀螺仪，用于获取姿态角数据；
通过控制器将由光电编码器获取的运动速度乘以光电编码器获取数据的时间周期得到三轮全向移动机器人的行进距离；通过控制器将行进距离分别与陀螺仪获取的姿态角数据的正弦和余弦相乘，得到三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横坐标和纵坐标。
辅助定位模块设置为三组，三组辅助定位模块彼此间隔120°，三组辅助定位模块与Y型底盘中心的距离相等；每组辅助定位模块均包括两个光电传感器和一个超声波传感器；同属于一组辅助定位模块中的两个光电传感器以左右对称的方式安装在Y型底盘的底部；
光电传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的偏离方向；
超声波传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的距离；
通过控制器根据光电传感器获取的偏离方向生成角度校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定角度，完成三轮全向移动机器人的角度校正；通过控制器根据超声波传感器获取的距离生成距离校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定距离，完成三轮全向移动机器人的距离校正。
如图2所示，该三轮全向移动机器人的运动控制方法包括以下步骤：
S1、通过基础定位模块获取三轮全向移动机器人的运动数据和姿态数据；
S2、根据三轮全向移动机器人的运动数据和姿态数据计算三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横纵坐标；
S3、根据计算得到的横纵坐标判断三轮全向移动机器人是否到达既定坐标；
S4、通过辅助定位模块获取三轮全向移动机器人相对于路径上参考点的相对位置；
S5、根据三轮全向移动机器人相对于路径上参考点的相对位置对三轮全向移动机器人进行横向校正和纵向校准，使三轮全向移动机器人的真实坐标为既定坐标；
S6、判断三轮全向移动机器人是否到达目的地，若是则结束运动控制，否则进入步骤S7；
S7、根据导航规划将三轮全向移动机器人导航至下一个既定坐标处，并返回步骤S1。
步骤S1中基础定位模块包括用于获取运动速度的光电编码器和用于获取姿态角数据的陀螺仪。
步骤S2的具体方法为：通过控制器将由光电编码器获取的运动速度乘以光电编码器获取数据的时间周期得到三轮全向移动机器人的行进距离；通过控制器将行进距离分别与陀螺仪获取的姿态角数据的正弦和余弦相乘，得到三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横纵坐标。
步骤S4中辅助定位模块设置为三组，三组辅助定位模块彼此间隔120°，三组辅助定位模块与Y型底盘中心的距离相等；每组辅助定位模块均包括两个光电传感器和一个超声波传感器；同属于一组辅助定位模块中的两个光电传感器以左右对称的方式安装在Y型底盘的底部；
光电传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的偏离方向；
超声波传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的距离。
步骤S5的具体方法为：通过控制器根据光电传感器获取的偏离方向生成角度校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定角度，完成三轮全向移动机器人的角度校正；通过控制器根据超声波传感器获取的距离生成距离校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定距离，完成三轮全向移动机器人的距离校正，使三轮全向移动机器人的真实坐标为既定坐标。
在本发明的一个实施例中，全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。
如图3所示，在实际情况中，给定移动速度V与角度α，则有：
vx＝V·cosα
vy＝V·sinα
其中，vx、vy为移动平台在自身坐标系下的分速度，V为vx、vy的合速度，α为V与x轴的夹角。通过给定的期望速度分解得到每个轮子的分速度。各轮的速度可以分解为：
Figure BDA0002998880630000081
其中，r为旋转中心到轮轴心的垂直距离，ω为移动平台旋转角速度，v1、v2、v3分别为三个轮子的转速，θ为轮轴与x轴的夹角，θ＝π/6。将速度分解方程变换成矩阵形式如下：
Figure BDA0002998880630000082
为了提高三轮全向移动机器人的运动控制精度，首先优化PID控制参数，然后使用动态梯度加速度启动(DGAS)方法抑制启动滑移，最后设计一个基于传感器的多节点校准(MNC)系统，实现全向移动机器人运动的精确控制。其中对运动的控制可以采用PID控制。PID控制可用于提高运动的平滑度并减少其误差，其计算为：
Figure BDA0002998880630000091
其中：u(t)为控制器输出控制量，e(t)为偏差信号，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。由于积分和微分形式不能在工程案例中直接使用，因此需要对其进行离散化并显示为：
Figure BDA0002998880630000092
其中：k为采样序号(k＝1,2...)，T为系统周期。其增量式PID如下：
Figure BDA0002998880630000093
在PID程序中，可以通过优化Kp，Ti和Td的值使运动偏差最小化。因此，可获得具有较小误差、较快响应和没有振荡的响应曲线。在具体使用是，可以采用临界比例法、衰减曲线法和试错法来优化响应曲线，其中试错法对机器人的参数优化更为有效。首先，调整获取最佳比例系数Kp以减小响应曲线的波动，然后分别调整积分时间常数Ti和微分时间常数Td。最终，获得了一条平滑的响应曲线，优化后的PID参数中比例系数、积分系数和微分系数的值分别为0.9、0.1和0.08。
在具体实施过程中，如图4和图5所示，在无校准条件下，则仅依靠陀螺仪的反馈和电机编码器的控制，距离误差的累积效应不明显，但是，角度误差随着移动时间和距离的显著增加到15.1％。经本方法处理后，机器人的运动误差可控制在3.5％以内，大大提高了三轮全向移动机器人的角运动精度。
将启动滑移抑制和本移动机器人(运动控制方法)结合在一起后，使用之字形运动来验证机器人运动控制的综合精度。如图6所示，发现在没有校准的情况下，移动轨迹的偏差随着移动距离的增加而增加。机器人位置的最大偏差可达32.04厘米。采用本方法后，单个位置的平均偏差减少了74.49％，在机器人移动了7.73米后，总位错可控制在0.60％之内。
综上所述，本发明使用了更为经济的传感器、简易的架构，在满足了全向机器人应用的高精度定位的需求的基础上。降低了全向机器人的定位成本、提高了定位装置的可靠性，更利于全向机器人的应用推广。

Claims (5)

1.一种三轮全向移动机器人，其特征在于，包括Y型底盘，所述Y型底盘上设置有基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块和控制器；所述基础定位模块、辅助定位模块、通信模块、全向运动模块分别与控制器相连；
所述基础定位模块，用于获取三轮全向移动机器人的运动数据；
所述辅助定位模块，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的相对位置数据；
所述全向运动模块，包括设置在Y型底盘上的三个全向轮，三个全向轮彼此间隔120°，三个全向轮与Y型底盘中心的距离相等；
所述控制器，用于驱动三轮全向移动机器人运动、根据基础定位模块和辅助定位模块的数据对三轮全向移动机器人进行定位及位置修正；
辅助定位模块设置为三组，三组辅助定位模块彼此间隔120°，三组辅助定位模块与Y型底盘中心的距离相等；每组辅助定位模块均包括两个光电传感器和一个超声波传感器；同属于一组辅助定位模块中的两个光电传感器以左右对称的方式安装在Y型底盘的底部；
光电传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的偏离方向；
超声波传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的距离；
通过控制器根据光电传感器获取的偏离方向生成角度校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定角度，完成三轮全向移动机器人的角度校正；通过控制器根据超声波传感器获取的距离生成距离校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定距离，完成三轮全向移动机器人的距离校正。
2.根据权利要求1所述的三轮全向移动机器人，其特征在于，基础定位模块包括光电编码器和陀螺仪；
光电编码器，用于获取三轮全向移动机器人的运动速度；
陀螺仪，用于获取姿态角数据；
通过控制器将由光电编码器获取的运动速度乘以光电编码器获取数据的时间周期得到三轮全向移动机器人的行进距离；通过控制器将行进距离分别与陀螺仪获取的姿态角数据的正弦和余弦相乘，得到三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横坐标和纵坐标。
3.一种三轮全向移动机器人的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过基础定位模块获取三轮全向移动机器人的运动数据和姿态数据；
S2、根据三轮全向移动机器人的运动数据和姿态数据计算三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横纵坐标；
S3、根据计算得到的横纵坐标判断三轮全向移动机器人是否到达既定坐标；
S4、通过辅助定位模块获取三轮全向移动机器人相对于路径上参考点的相对位置；
S5、根据三轮全向移动机器人相对于路径上参考点的相对位置对三轮全向移动机器人进行横向校正和纵向校准，使三轮全向移动机器人的真实坐标为既定坐标；
S6、判断三轮全向移动机器人是否到达目的地，若是则结束运动控制，否则进入步骤S7；
S7、根据导航规划将三轮全向移动机器人导航至下一个既定坐标处，并返回步骤S1；
步骤S4中辅助定位模块设置为三组，三组辅助定位模块彼此间隔120°，三组辅助定位模块与Y型底盘中心的距离相等；每组辅助定位模块均包括两个光电传感器和一个超声波传感器；同属于一组辅助定位模块中的两个光电传感器以左右对称的方式安装在Y型底盘的底部；
光电传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的偏离方向；
超声波传感器，用于获取三轮全向移动机器人相对于参考点的距离；
步骤S5的具体方法为：
通过控制器根据光电传感器获取的偏离方向生成角度校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定角度，完成三轮全向移动机器人的角度校正；通过控制器根据超声波传感器获取的距离生成距离校正指令，使三轮全向移动机器人调整至既定距离，完成三轮全向移动机器人的距离校正，使三轮全向移动机器人的真实坐标为既定坐标。
4.根据权利要求3所述的三轮全向移动机器人的运动控制方法，其特征在于，步骤S1中基础定位模块包括用于获取运动速度的光电编码器和用于获取姿态角数据的陀螺仪。
5.根据权利要求4所述的三轮全向移动机器人的运动控制方法，其特征在于，步骤S2的具体方法为：
通过控制器将由光电编码器获取的运动速度乘以光电编码器获取数据的时间周期得到三轮全向移动机器人的行进距离；通过控制器将行进距离分别与陀螺仪获取的姿态角数据的正弦和余弦相乘，得到三轮全向移动机器人在直角坐标系下的横纵坐标。
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