CN113377104A - 基于差速模型的机器人位置控制方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例提供了一种基于差速模型的机器人位置控制方法、装置，所述方法包括：获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，通过差速模型分别转换为机器人轮子的目标脉冲数；控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。本发明提供了一种基于差速模型机器人的位置控制方法，解决了用速度模式去做精确的位置导航出现的过程复杂且精度差的问题。
Description
技术领域
本公开的实施例一般涉及机器人领域，并且更具体地，涉及基于差速模型的机器人位置控制方法、装置、设备和计算机可读存储介质。
背景技术
随着人工智能领域的发展，机器人技术越来越受到重视。目前应用最广泛机器人模型是基于差速模型的轮式机器人技术。由于机器人行业的蓬勃发展，对机器人的控制执行精度的要求越来越高，目前广泛应用的机器人差速模型是基于速度以及角速度控制，机器人本身获取目标速度按照目标速度执行，通过激光或视觉在执行过程中不断改变速度信息。虽然控制方便，但现实存在许多场景是速度控制无法满足或者控制起来相对较复杂的情况，如机器人需要走到前方1米处对接充电桩以及机器人需要走1米进入电梯或者旋转180度改变机器人方向，则实现过程很复杂。如果用速度模式去做精确的位置导航会出现过程复杂且精度差。
发明内容
根据本公开的实施例，提供了一种基于差速模型机器人的位置控制方法，解决了用速度模式去做精确的位置导航会出现过程复杂且精度差的问题。
在本公开的第一方面，提供了一种基于差速模型的机器人位置控制方法。该方法包括：
获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；
通过差速模型将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，分别转换为机器人轮子的目标脉冲数；
控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。
进一步地，所述机器人为两轮差速驱动移动机器人。
进一步地，所述差速模型包括：
直线运动目标脉冲数X1＝S*M/2Πr；
原地旋转目标脉冲数X2＝θ*L*M/4Πr；其中，
S为距离，θ为角度，r为机器人轮子半径，L为机器人左右轮子轮距，M为机器人轮子旋转一圈产生的脉冲个数。
进一步地，直线运动中，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相同；原地旋转中，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相反。
进一步地，机器人位于旋转方向一侧的轮子为反转，另一侧的轮子为正转。
进一步地，控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数包括：
控制机器人轮子以第一预设转速运行第一预设脉冲数；
控制机器人轮子以第二预设转速运行第二预设脉冲数；
控制机器人轮子停止；
其中，第一预设脉冲数与第二预设脉冲数之和为目标脉冲数；第一预设转速大于第二预设转速。
进一步地，通过增量式编码器获取机器人轮子运行的脉冲数。
在本公开的第二方面，提供了一种基于差速模型的机器人位置控制装置，所述装置包括：
运动路径确定模块，用于获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；
脉冲数转换模块，用于将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，通过差速模型分别转换为机器人轮子的目标脉冲数；
控制模块，用于控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。
在本公开的第三方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如以上所述的方法。
在本公开的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如根据本公开的第一方面和/或第二发面的方法。
本发明通过简单接口实现机器人在环境中需要走的距离以及需要精确旋转的角度信息。对精确引导机器人去到目标位置提供简单好用的方法，机器人可以从速度模型转换为位置模型，执行精度高且模型简单。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的基于差速模型的机器人位置控制方法的流程图；
图2示出了一个基于差速模型的机器人位置控制的具体实施例；
图3示出了根据本公开的实施例的基于差速模型的机器人位置控制装置的方框图；
图4示出了能够实施本公开的实施例的示例性电子设备的方框图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如图1所示，图1是本公开的实施例的机器人位置控制方法的流程图。下面对图1所示的具体流程进行详细阐述。
在框102，获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度。
在一些实施例中，所述机器人为两轮差速驱动移动机器人。机器人轮子半径为r，机器人左右轮子轮距为L，机器人轮子旋转一圈产生的脉冲个数为M。
在一些实施例中，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；包括根据机器人在预设地图中的当前位置、目的地在预设地图中的位置，以及地图中的障碍物信息，确定机器人从当前位置到目的地的运动路径。所述运动路径为直线运动路径和/或原地旋转路径，一般情况下，所述路径为一个或多个直线运动路径与一个或多个原地旋转路径的组合，例如，第一直线运动路径+第一原地旋转路径+第二直线运动路径。
在一些实施例中，所述直线运动路径包括直线运动距离S；所述原地旋转路径包括原地旋转角度θ。
在一些实施例中，直线运动距离S为需要执行的机器人线速度V与需要执行的时间t的乘积。
在一些实施例中，原地旋转角度θ为需要执行的机器人角速度w与需要执行的时间t的乘积。
通过直线运动路径和/或原地旋转路径相结合的方式，避免了弧线运动带来的控制误差。
在框104，将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，通过差速模型分别转换为机器人轮子的目标脉冲数。
在一些实施例中，所述差速模型包括：
直线运动目标脉冲数X1＝S*M/2Πr；
原地旋转目标脉冲数X2＝θ*L*M/4Πr；其中，
S为直线运动距离，θ为原地旋转角度，r为机器人轮子半径，L为机器人左右轮子轮距，M为机器人轮子旋转一圈产生的脉冲个数。
在一些实施例中，将所述运动路径包括的每一个直线运动距离和/或原地旋转角度，分别通过对应的差速模型转化为直线运动目标脉冲数或原地旋转目标脉冲数。
在一些实施例中，在直线运动路径中，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相同，
在原地旋转路径中，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相反，机器人位于旋转方向一侧的轮子为反转，另一侧的轮子为正转，实现机器人的原地旋转，机器人左轮速度Vl与右轮速度Vr相同，方向相反，机器人速度V＝0，
在框106，控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。
在一些实施例中，若机器人轮子以一定的转速执行对应的目标脉冲数，势必会造成无法及时停止，从而带来路径执行的误差，因此，在本实施例中，采取多阶段控制执行对应的目标脉冲数，在不同阶段以不同的转速执行不同的脉冲数，从而实现轮子的启动、运行、减速，进而实现路径执行的精确性。
在一些实施例中，轮子的转速可以根据需要执行的机器人线速度V或需要执行的机器人角速度w得到，作为基准速度。例如，直线运动路径中轮子的角速度＝V/r；原地旋转路径中，轮子的角速度＝ωL/2。
在一些实施例中，不同阶段的转速、脉冲数可以根据实际情况预先设置。
在一些实施例中，控制机器人轮子以第一预设转速运行第一预设脉冲数；控制机器人轮子以第二预设转速运行第二预设脉冲数；控制机器人轮子停止；其中，第一预设脉冲数与第二预设脉冲数之和为目标脉冲数；第一预设转速大于第二预设转速。第一预设转速为基准速度。
由于以第二预设转速执行的脉冲数较少，因此，实际执行的总时间仍基本等于需要执行的时间t。
在一些实施例中，还可以控制机器人轮子以第三预设转速运行第三预设脉冲数；控制机器人轮子以第四预设转速运行第四预设脉冲数；控制机器人轮子以第五预设转速运行第五预设脉冲数；控制机器人轮子停止；其中，第三预设脉冲数、第四预设脉冲数与第五预设脉冲数之和为目标脉冲数；第三预设转速小于第四预设转速，等于第五预设转速。第四预设转速为基准速度。
由于以第三预设转速、第四预设转速执行的脉冲数较少，因此，实际执行的总时间仍基本等于需要执行的时间t。
在一些实施例中，对机器人轮子的控制采用电机控制，位置闭环控制根据编码器的脉冲累加测量电机的位置信息，并与目标值进行比较得到控制偏差，然后对偏差值进行比例，积分微分控制。使得偏差值趋近于零。其中位置离散化PID公式：
PWM＝Kp*e(k)+Ki*∑e(k)+Kd*[e(k)-e(k-1)]；其中，
e(k):本次偏差；e(k-1):上次偏差；∑e(k)：e(k)偏差的累计和(k＝1,2,3,4,k)。
在一些实施例中，通过增量式编码器获取机器人轮子运行的脉冲数。增量式编码器也称为正交编码器，是通过两个信号线的脉冲输出来进行数据处理，一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，编码器每转动固定的位移，就会产生一个脉冲信号，通过读取单位时间脉冲信号的数量，便可以达到测速的效果(V＝S/t)，通过对脉冲信号的累加，和编码器的码盘的周长(转一圈对应距离)便可以达到计算行走距离的效果(S＝n*d)。
增量式编码器有两个脉冲输出，A相和B相，并且两个相位存在90°相位差。如果两个信号相位差为90度，则这两个信号称为正交。由于两个信号相差90度，因此可以根据两个信号先后来判断方向、并且可以根据AB相脉冲信号数量测得速度，位移等。正转的时候信号线A先输出信号,信号线B后输出，A相超前B相90度证明是正转。反转的时候信号线B先输出信号,信号线A后输出B相超前A相90度证明是反转。需要增加测量的精度时，可以采用4倍频方式，即分别在A、B相波形的上升沿和下降沿计数，分辨率可以提高4倍。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过一个具体实施例，如附图图2所示，对本公开所述方案进行进一步说明。
以机器人轮间距离L＝0.22m，轮子半径r＝0.1m为例；
获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径包括：
原地旋转路径1：在A点逆时针旋转180度；
直线运动路径2：从A点直行1m到达C点；
原地旋转路径2：在C点顺时针旋转90度；
直线运动路径2：从C点直行1m到达B点。
通过差速模型将所述运动路径分别转化为直线运动目标脉冲数或原地旋转目标脉冲数。
直线运动目标脉冲数X1＝S*M/2Πr；
原地旋转目标脉冲数X2＝θ*L*M/4Πr；其中，
S为直线运动距离，θ为原地旋转角度，r为机器人轮子半径，L为机器人左右轮子轮距，M为机器人轮子旋转一圈产生的脉冲个数，设为500个。
原地旋转路径1：在A点逆时针/顺时针旋转180度，机器人位于旋转方向一侧的轮子为反转，另一侧的轮子为正转，实现机器人的原地旋转，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同为X21＝θ*L*M/4Πr＝275个，方向相反。
直线运动路径1：从A点直行1m，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相同为X11＝S*M/2Πr＝796个。
原地旋转路径2：在C点顺时针旋转90度，机器人位于旋转方向一侧的轮子为反转，另一侧的轮子为正转，实现机器人的原地旋转，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同为X22＝θ*L*M/4Πr＝138个，方向相反。
直线运动路径2：从C点直行1m到达B点，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相同为X11＝S*M/2Πr＝796个。
根据本公开的实施例，实现了以下技术效果：本发明通过简单接口实现机器人在环境中需要走的距离以及需要精确旋转的角度信息。对精确引导机器人去到目标位置提供简单好用的方法，机器人可以从速度模型转换为位置模型，执行精度高且模型简单。
能很好的解决机器人对于位置控制的需求，比如基于二维码或者激光对接的自动充电功能。当机器人已经知道相对于充电桩的相对位置。机器人按照相对位置下发位置信息，可以精确导航到充电桩处。基于位置方式的控制在执行精度方面提高显著。实验证明机器人运行10m的距离误差在4mm左右。机器人原地转10圈误差在2度左右。所以对于机器人基于位置的对接有显著效果。
除了对接之外，对于类似于点到点的导航，机器人采用点到点的精确执行精度更高，控制更简单，明显提高了机器人的到点执行精度。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本公开所述方案进行进一步说明。
图3示出了根据本公开的实施例的基于差速模型的机器人位置控制装置300的方框图，如图3所示，基于差速模型的机器人位置控制装置300包括：
运动路径确定模块302，用于获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；
脉冲数转换模块304，用于将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，通过差速模型分别转换为机器人轮子的目标脉冲数；
控制模块306，用于控制机器人轮子运行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
图4示出了可以用来实施本公开的实施例的电子设备400的示意性框图。如图所示，设备400包括CPU401，其可以根据存储在ROM402中的计算机程序指令或者从存储单元408加载到RAM403中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 403中，还可以存储设备400操作所需的各种程序和数据。CPU 401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。I/O接口405也连接至总线404。
设备400中的多个部件连接至I/O接口405，包括：输入单元406，例如键盘、鼠标等；输出单元407，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元408，例如磁盘、光盘等；以及通信单元409，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元409允许设备400通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元401执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法100。例如，在一些实施例中，方法100可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元408。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 402和/或通信单元409而被载入和/或安装到设备400上。当计算机程序加载到RAM 403并由CPU 401执行时，可以执行上文描述的方法100的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU401可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法100。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等等。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、RAM、ROM、EPROM、光纤、CD-ROM、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。
Claims (10)
1.一种基于差速模型的机器人位置控制方法，其特征在于，包括：
获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；
将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，通过差速模型分别转换为机器人轮子的目标脉冲数；
控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述机器人为两轮差速驱动移动机器人。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述差速模型包括：
直线运动目标脉冲数X1＝S*M/2Πr；
原地旋转目标脉冲数X2＝θ*L*M/4Πr；其中，
S为距离，θ为角度，r为机器人轮子半径，L为机器人左右轮子轮距，M为机器人轮子旋转一圈产生的脉冲个数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
直线运动中，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相同；
原地旋转中，机器人左轮与右轮目标脉冲数相同，方向相反。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，机器人位于旋转方向一侧的轮子为反转，另一侧的轮子为正转。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数包括：
控制机器人轮子以第一预设转速运行第一预设脉冲数；
控制机器人轮子以第二预设转速运行第二预设脉冲数；
控制机器人轮子停止；
其中，第一预设脉冲数与第二预设脉冲数之和为目标脉冲数；第一预设转速大于第二预设转速。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
通过增量式编码器获取机器人轮子运行的脉冲数。
8.一种基于差速模型的机器人位置控制装置，其特征在于，包括：
运动路径确定模块，用于获取机器人相对于目的地的相对位置，确定机器人的运动路径；其中，所述运动路径包括直线运动距离和/或原地旋转角度；
脉冲数转换模块，用于将所述运动路径包括的直线运动距离和/或原地旋转角度，通过差速模型分别转换为机器人轮子的目标脉冲数；
控制模块，用于控制机器人轮子执行对应的目标脉冲数，执行对应的直线运动距离和/或原地旋转角度。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
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