CN113238553A - 一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统及定位方法 - Google Patents

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张晓捷
程大全
程广河
孙瑞瑞
王星星
郝凤琦
唐勇伟
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Shandong Computer Science Center National Super Computing Center in Jinan
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Abstract

一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，系统包括多路灰度传感器和定位控制器；四个所述多路灰度传感器安装在机器人底盘的四个水平方向，相邻多路灰度传感器之间角度差为90°：采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号或者开关信号，所述多路灰度传感器将采集到的模拟电压信号或开关信号上传至所述定位控制器，所述定位控制器内加载有对上述模拟电压信号或开关信号进行处理的算法，经所述处理算法处理后得到机器人底盘相对于地面线条的坐标数据偏差。

Description

一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统及定位方法
技术领域
本发明公开一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统及定位方法，属于自动化无人设备控制算法的技术领域。
背景技术
随着现代科技不断发展，现在机器人的定位方法多种多样，现有工厂机器人在车间自主定位工作，而车间里机器人的定位技术大多采用成本较高的激光雷达和算法复杂的机器视觉来实现。中国专利CN201510054700.3公开一种用于全方位平面运动机构的位姿信号采集装置，此类装置是针对比赛场地环境专门研发的一种全方位的定位方式，该定位方式是借助两个从动编码器轮和一个陀螺仪来计算平面运动机构的位姿，但是在安装有该位姿信号采集装置的机器人底盘，在长时间远距离运行中，由于机械磨损和角度零漂的影响，存在误差累计的缺陷。因此，在本技术领域中，怎样矫正累积的偏差就称为辅助定位亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统。本发明提出通过多路灰度传感器来矫正累积的偏差，辅助机器人在长时间远距离使用下实现准确定位。
本发明还公开一种基于四轮全向底盘的辅助定位方法。
本发明详细的技术方案如下：
一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其特征在于，系统包括多路灰度传感器和定位控制器；
四个所述多路灰度传感器安装在机器人底盘的四个水平方向，相邻多路灰度传感器之间角度差为90°，在所述多路灰度传感器中提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；所述多路灰度传感器用于：采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号或者开关信号，在实际工况中，所述机器人是通过灰度传感器使底盘与地面线条重合，从而沿着所述地面线条行走并执行相关工作任务的；
所述多路灰度传感器将采集到的模拟电压信号或开关信号上传至所述定位控制器，所述定位控制器内加载有对上述模拟电压信号或开关信号进行处理的算法，经所述处理算法处理后得到机器人底盘相对于地面线条的坐标数据偏差。
根据本发明优选的，利用PC上位机将所述地面线条的参数提前记载至多路灰度传感器中；优选的，所述PC上位机通过USB通信设置灰度传感器需要识别的地面线条参数；优选的，所述地面线条参数包括：地面线条颜色数据θ、地面线条宽度L、定位扫描频率F。
根据本发明优选的，利用定位控制器提前在多路灰度传感器中设置所述地面线条的参数。
根据本发明优选的，所述的多路灰度传感器1包括传感器MCU101、CAN总线接口102、电源稳压103、可调电阻104、LM339比较器105、遮光板106、传感器定位孔107、采样模组108和传感器电路板111；所述多路灰度传感器1的采样模组108包括一组白色补光灯LED和灰度光电传感器，利用不同表面颜色对白光的反射强弱来进行判断地面线条的轨迹是否存在偏差，其中，背景颜色和标记线条对白光的反射强度相差越大效果越好，黑色和白色时效果最佳；所述传感器MCU101负责预处理多个采样模组108采集的数据，CAN总线接口102连接到定位控制器2，电源稳压103为传感器电路板111提供稳定电源，可调电阻104根据不同环境对LM339比较器105进行手动调节采样值，遮光板106安装于多路灰度传感器电路板111下方，防止环境光线对采样模组108的干扰，多路灰度传感器1长度为400mm，分布有24组采样模组108，采样模组108分布间距为17mm，可以精确采集宽度≥17mm的线条轨迹。
根据本发明优选的，所述的定位控制器2包括：定位控制器USB接口201、定位控制器定位孔202、CAN总线第一接口203、CAN总线第二接口204、CAN总线第三接口205、CAN总线第四接口206、显示屏207、状态指示灯208、设置按键209、复位按键210和拓展接口211；定位控制器USB接口201通过USB线连接至PC上位机4的软件进行修改定位控制器2的参数，CAN总线第一接口203、CAN总线第二接口204、CAN总线第三接口205和CAN总线第四接口均可以和多路灰度传感器1的CAN总线接口102进行连接，显示屏207显示修改定位控制器2的实时参数，状态指示灯208、复位按键210和拓展接口211焊接在定位控制器2上。
一种基于四轮全向底盘的辅助定位方法，其特征在于，包括：
1)提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号或者开关信号；多路灰度传感器1上的白色补光灯将地面待扫描区域照亮，灰度光电传感器通过扫描地面线条轨迹5对白光的反射强弱，采用AD采样的方式识别地面线条轨迹5来完成初步的采样工作；
2)当步骤1)所述形成的是模拟电压信号时，对应的是将地面线条轨迹5对白光的反射强弱转换为0～3.3V的模拟电压，然后再通过AD转换器转换成分辨率为0～4096的数字量进行输出；对于此数字量的输出，传感器上MCU101将对扫描到的每一路采样模组108的数据通过现有的一阶互补滤波算法进行滤波，滤波公式为：
Figure BDA0003050423760000031
公式I中，dt为扫描周期，T为时间常数，ynew为滤波后的数字量输出，yold为滤波前的数字量输出，此滤波可以消除采样噪声，避免物理环境光线的干扰；
多路灰度传感器1会通过判断滤波后的数据计算出当前多路灰度传感器1扫描到的地面线条轨迹5的准确偏移量Δx和Δy，计算公式如下：
Figure BDA0003050423760000032
公式II中，
Figure BDA0003050423760000033
为最大采样值那一路的偏差量映射值，xmax为最大采样值，xmax-1为最大采样值的左路采样值，xmax+1为最大采样值的右路采样值，Δx2、Δy1、Δy2计算方法同理；
或，当步骤1)所形成的是开关信号时，对应的是将地面线条轨迹5对白光反射强弱0～3.3V的模拟电压通过与LM339比较器105比较之后输出0和1的开关量，为了适应不同场地环境和不同颜色的地面线条轨迹可以通过人工手动调节可调电阻104来改变采样的阈值；对于开关量的输出，传感器上MCU101会将得到的24个开关量data按位进行“或”运算为地面线条轨迹5状态量y，计算公式为：
y＝y|(data＜＜n)(data＝0，1；n∈[1，24]) (III)
多路灰度传感器最终会将计算出来的地面线条轨迹5偏移量(偏移量Δx：(y&0x0001？Δx＝num：y＞＞1，num++))通过CAN总线接口102传输给定位控制器2，传输的数据包括数据帧头、传感器编号、采样模式、线条轨迹偏移量Δx、CRC校验码；定位控制器2在接收到四个方向多路传感器的地面线条轨迹5偏移量后，如图5、图6结合四组数据Δx1、Δx2、Δy1、Δy2通过姿态解算算法计算得到当前机器人底盘在地面线条轨迹5的X轴位置偏移量ΔX＝(Δx1+Δx2)/2，Y轴位置偏移量ΔY＝(Δy1+Δy2)/2，通过相对的两个多路灰度传感器采样的地面线条轨迹偏移量可以计算出Z轴角度偏移量α＝arctan(2Δx1/a0)，其中，a0为机器人底盘的长度。
发明的有益效果：
本发明四个所述多路灰度传感器互成90角安装在机器人底盘实时扫描地面线条数据，多路灰度传感器将这些数据初步处理后通过CAN总线传输给定位控制器，定位控制器通过该数据利用算法计算当前机器人底盘的准确定位信息，定位信息包括X轴、Y轴的偏移量和机器人底盘的Z轴角度，四个多路灰度传感器之间采用CAN总线通信方式，多路灰度传感器和机器人主控中心也采用CAN总线通信机制，大大提高通信的速率，PC端的上位机为多路灰度传感器进行参数设置。
附图说明
附图1为该控制系统电路模块图；
附图2为该多路灰度传感器电路模块图；
附图3为采样电路模块图；
附图4为定位控制器电路模块图；
附图5为该定位底盘在X/Y方向的定位图；
附图6为该定位底盘在Z轴角度的定位图；
其中，1、多路灰度传感器，2、定位控制器，3、机器人底盘，4、PC上位机，101、传感器MCU，102、CAN总线接口，103、电源稳压，104、可调电阻，105、LM339比较器，106、遮光板，107、传感器定位孔，108、采样模组，109、白色补光灯，110、灰度光电接收器，111、传感器电路板，201、定位控制器USB接口，202、定位控制器定位孔，203、CAN总线第一接口，204、CAN总线第二接口，205、CAN总线第三接口，206、CAN总线第四接口，207、显示屏，208、状态指示灯，209、设置按键，210、复位按键，211、拓展接口，301、全向轮，302、减震装置，303、驱动电机。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
如图1-4所示。一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，系统包括多路灰度传感器和定位控制器；四个所述多路灰度传感器安装在机器人底盘的四个水平方向，相邻多路灰度传感器之间角度差为90°，在所述多路灰度传感器中提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；所述多路灰度传感器用于：采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号或者开关信号；
所述多路灰度传感器将采集到的模拟电压信号或开关信号上传至所述定位控制器，所述定位控制器内加载有对上述模拟电压信号或开关信号进行处理的算法，经所述处理算法处理后得到机器人底盘相对于地面线条的坐标数据偏差。
利用PC上位机将所述地面线条的参数提前记载至多路灰度传感器中；所述PC上位机通过USB通信设置灰度传感器需要识别的地面线条参数；所述地面线条参数包括：地面线条颜色数据θ、地面线条宽度L、定位扫描频率F。
所述的多路灰度传感器1包括传感器MCU101、CAN总线接口102、电源稳压103、可调电阻104、LM339比较器105、遮光板106、传感器定位孔107、采样模组108和传感器电路板111；所述多路灰度传感器1的采样模组108包括一组白色补光灯LED和灰度光电传感器，利用不同表面颜色对白光的反射强弱来进行判断地面线条的轨迹是否存在偏差，其中，背景颜色和标记线条对白光的反射强度相差越大效果越好，黑色和白色时效果最佳；所述传感器MCU101负责预处理多个采样模组108采集的数据，CAN总线接口102连接到定位控制器2，电源稳压103为传感器电路板111提供稳定电源，可调电阻104根据不同环境对LM339比较器105进行手动调节采样值，遮光板106安装于多路灰度传感器电路板111下方，防止环境光线对采样模组108的干扰，多路灰度传感器1长度为400mm，分布有24组采样模组108，采样模组108分布间距为17mm，可以精确采集宽度≥17mm的线条轨迹。
所述的定位控制器2包括：定位控制器USB接口201、定位控制器定位孔202、CAN总线第一接口203、CAN总线第二接口204、CAN总线第三接口205、CAN总线第四接口206、显示屏207、状态指示灯208、设置按键209、复位按键210和拓展接口211；定位控制器USB接口201通过USB线连接至PC上位机4的软件进行修改定位控制器2的参数，CAN总线第一接口203、CAN总线第二接口204、CAN总线第三接口205和CAN总线第四接口均可以和多路灰度传感器1的CAN总线接口102进行连接，显示屏207显示修改定位控制器2的实时参数，状态指示灯208、复位按键210和拓展接口211焊接在定位控制器2上。
实施例2、
如实施例1所述的一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其区别在于，利用定位控制器提前在多路灰度传感器中设置所述地面线条的参数。所述地面线条参数包括：地面线条颜色数据θ、地面线条宽度L、定位扫描频率F。
实施例3、
一种基于四轮全向底盘的辅助定位方法，包括：
1)提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号；多路灰度传感器1上的白色补光灯将地面待扫描区域照亮，灰度光电传感器通过扫描地面线条轨迹5对白光的反射强弱，采用AD采样的方式识别地面线条轨迹5来完成初步的采样工作；
2)对应的是将地面线条轨迹5对白光的反射强弱转换为0～3.3V的模拟电压，然后再通过AD转换器转换成分辨率为0～4096的数字量进行输出；对于此数字量的输出，传感器上MCU101将对扫描到的每一路采样模组108的数据通过现有的一阶互补滤波算法进行滤波，滤波公式为：
Figure BDA0003050423760000071
公式I中，dt为扫描周期，T为时间常数，ynew为滤波后的数字量输出，yold为滤波前的数字量输出；
多路灰度传感器1会通过判断滤波后的数据计算出当前多路灰度传感器1扫描到的地面线条轨迹5的准确偏移量Δx和Δy，计算公式如下：
Figure BDA0003050423760000072
公式II中，
Figure BDA0003050423760000073
为最大采样值那一路的偏差量映射值，xmax为最大采样值，xmax-1为最大采样值的左路采样值，xmax+1为最大采样值的右路采样值，Δx2、Δy1、Δy2计算方法同理；
如图5、图6结合四组数据Δx1、Δx2、Δy1、Δy2通过姿态解算算法计算得到当前机器人底盘在地面线条轨迹5的X轴位置偏移量ΔX＝(Δx1+Δx2)/2，Y轴位置偏移量ΔY＝(Δy1+Δy2)/2，通过相对的两个多路灰度传感器采样的地面线条轨迹偏移量可以计算出Z轴角度偏移量α＝arctan(2Δx1/a0)，其中，a0为机器人底盘的长度。
实施例4、
一种基于四轮全向底盘的辅助定位方法，包括：
1)提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成开关信号；多路灰度传感器1上的白色补光灯将地面待扫描区域照亮，灰度光电传感器通过扫描地面线条轨迹5对白光的反射强弱，采用AD采样的方式识别地面线条轨迹5来完成初步的采样工作；
2)对应的是将地面线条轨迹5对白光反射强弱0～3.3V的模拟电压通过与LM339比较器105比较之后输出0和1的开关量，为了适应不同场地环境和不同颜色的地面线条轨迹可以通过人工手动调节可调电阻104来改变采样的阈值；对于开关量的输出，传感器上MCU101会将得到的24个开关量data按位进行“或”运算为地面线条轨迹5状态量y，计算公式为：
y＝y|(data＜＜n)(data＝0，1；n∈[1，24]) (III)
多路灰度传感器最终会将计算出来的地面线条轨迹5偏移量(偏移量Δx：(y&0x0001？Δx＝num：y＞＞1，num++))通过CAN总线接口102传输给定位控制器2，传输的数据包括数据帧头、传感器编号、采样模式、线条轨迹偏移量Δx、CRC校验码；定位控制器2在接收到四个方向多路传感器的地面线条轨迹5偏移量后，如图5、图6结合四组数据Δx1、Δx2、Δy1、Δy2通过姿态解算算法计算得到当前机器人底盘在地面线条轨迹5的X轴位置偏移量ΔX＝(Δx1+Δx2)/2，Y轴位置偏移量ΔY＝(Δy1+Δy2)/2，通过相对的两个多路灰度传感器采样的地面线条轨迹偏移量可以计算出Z轴角度偏移量α＝arctan(2Δx1/a0)，其中，a0为机器人底盘的长度。

Claims (6)

1.一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其特征在于，系统包括多路灰度传感器和定位控制器；
四个所述多路灰度传感器安装在机器人底盘的四个水平方向，相邻多路灰度传感器之间角度差为90°，在所述多路灰度传感器中提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；所述多路灰度传感器用于：采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号或者开关信号；
所述多路灰度传感器将采集到的模拟电压信号或开关信号上传至所述定位控制器，所述定位控制器内加载有对上述模拟电压信号或开关信号进行处理的算法，经所述处理算法处理后得到机器人底盘相对于地面线条的坐标数据偏差。
2.根据权利要求1所述的一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其特征在于，利用PC上位机将所述地面线条的参数提前记载至多路灰度传感器中；优选的，所述PC上位机通过USB通信设置灰度传感器需要识别的地面线条参数；优选的，所述地面线条参数包括：地面线条颜色数据θ、地面线条宽度L、定位扫描频率F。
3.根据权利要求1所述的一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其特征在于，利用定位控制器提前在多路灰度传感器中设置所述地面线条的参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其特征在于，所述的多路灰度传感器(1)包括传感器MCU(101)、CAN总线接口(102)、电源稳压(103)、可调电阻(104)、LM339比较器(105)、遮光板(106)、传感器定位孔(107)、采样模组(108)和传感器电路板(111)；所述多路灰度传感器(1)的采样模组(108)包括一组白色补光灯LED和灰度光电传感器，利用不同表面颜色对白光的反射强弱来进行判断地面线条的轨迹是否存在偏差，电源稳压(103)为传感器电路板(111)提供稳定电源，可调电阻(104)根据不同环境对LM339比较器(105)进行手动调节采样值，遮光板(106)安装于多路灰度传感器电路板(111)下方。
5.根据权利要求1所述的一种基于四轮全向底盘的辅助定位系统，其特征在于，所述的定位控制器(2)包括：定位控制器USB接口(201)、定位控制器定位孔(202)、CAN总线第一接口(203)、CAN总线第二接口(204)、CAN总线第三接口(205)、CAN总线第四接口(206)、显示屏(207)、状态指示灯(208)、设置按键(209)、复位按键(210)和拓展接口(211)；定位控制器USB接口(201)通过USB线连接至PC上位机(4)的软件进行修改定位控制器(2)的参数，CAN总线第一接口(203)、CAN总线第二接口(204)、CAN总线第三接口(205)和CAN总线第四接口均可以和多路灰度传感器(1)的CAN总线接口(102)进行连接，显示屏(207)显示修改定位控制器(2)的实时参数，状态指示灯(208)、复位按键(210)和拓展接口(211)焊接在定位控制器(2)上。
6.一种基于四轮全向底盘的辅助定位方法，其特征在于，包括：
1)提前加载有地面线条的参数，用于判断实时采集到的地面线条轨迹是否存在偏差；采用AD采样的方式识别地面线条轨迹，形成模拟电压信号或者开关信号；
2)当步骤1)所述形成的是模拟电压信号时，对应的是将地面线条轨迹(5)对白光的反射强弱转换为0～3.3V的模拟电压，然后再通过AD转换器转换成分辨率为0～4096的数字量进行输出；对于此数字量的输出，传感器上MCU(101)将对扫描到的每一路采样模组(108)的数据通过现有的一阶互补滤波算法进行滤波，滤波公式为：
Figure FDA0003050423750000021
公式I中，dt为扫描周期，T为时间常数，ynew为滤波后的数字量输出，yold为滤波前的数字量输出；
多路灰度传感器(1)会通过判断滤波后的数据计算出当前多路灰度传感器(1)扫描到的地面线条轨迹(5)的准确偏移量Δx和Δy，计算公式如下：
Figure FDA0003050423750000022
公式II中，
Figure FDA0003050423750000023
为最大采样值那一路的偏差量映射值,xmax为最大采样值，xmax-1为最大采样值的左路采样值，xmax+1为最大采样值的右路采样值，Δx2、Δy1、Δy2计算方法同理；
或，当步骤1)所形成的是开关信号时，对应的是将地面线条轨迹(5)对白光反射强弱0～3.3V的模拟电压通过与LM339比较器(105)比较之后输出0和1的开关量，为了适应不同场地环境和不同颜色的地面线条轨迹可以通过人工手动调节可调电阻104来改变采样的阈值；对于开关量的输出，传感器上MCU(101)会将得到的24个开关量data按位进行“或”运算为地面线条轨迹(5)状态量y，计算公式为：
y＝y|(data＜＜n)(data＝0,1；n∈[1,24]) (III)
多路灰度传感器最终会将计算出来的地面线条轨迹(5)偏移量通过CAN总线接口(102)传输给定位控制器(2)；定位控制器(2)在接收到四个方向多路传感器的地面线条轨迹(5)偏移量后，结合四组数据Δx1、Δx2、Δy1、Δy2通过姿态解算算法计算得到当前机器人底盘在地面线条轨迹(5)的X轴位置偏移量ΔX＝(Δx1+Δx2)/2，Y轴位置偏移量ΔY＝(Δy1+Δy2)/2，通过相对的两个多路灰度传感器采样的地面线条轨迹偏移量可以计算出Z轴角度偏移量α＝arctan(2Δx1/a0)，其中，a0为机器人底盘的长度。
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