CN113587791B - 一种全向移动平台的位姿检测装置及位姿检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全向移动平台的位姿检测装置及位姿检测方法，包括全向轮、传动轴、编码器、轴承、联轴器、全向轮座、连杆、销轴、转向杆、顶板、丝杠、直线导轨、滑块、手抓、步进电机、主控板，转向杆、连杆和全向轮座组成一个二自由度的悬挂系统，全向轮座可绕连杆自由转动，连杆和全向轮座的连接为紧配合，连杆内装有轴承，连杆可绕转向杆自由转动，连杆和转向杆的连接为紧配合，保证连杆和转向杆无轴向晃动，连杆内装有轴承，保证连杆和全向轮座相对顺滑的滑动，当地面的不平整导致移动平台的支撑基准面与位姿检测装置全向轮的支撑基准面高度不一致时，通过两自由度的悬挂机构的调节，可保证全向轮和地面的充分无打滑接触。

Description

一种全向移动平台的位姿检测装置及位姿检测方法
技术领域
本发明涉及一种全向移动平台的位姿检测装置及位姿检测方法，属于定位装置位姿检测技术领域。
背景技术
机器人的移动平台在运动过程中,必须实时检测自身的位姿,否则无法保证机器人的移动平台按规划好的路径行走，目前有的移动平台是通过测量驱动轮的转速和转角来实现位姿检测的，但这种方法由于驱动轮存在打滑的问题，不能实现精确的位姿检测。
对于目前通过从动轮进行位姿检测的装置，多采用编码器、罗经以及陀螺仪相结合的方式(发明专利公布号CN106493725A)，用编码器来检测移动平台的平移距离，用罗经或陀螺仪来检测移动平台的姿态，用陀螺仪来反馈补偿位姿信息，但是目前的机器人的移动平台多采用电机驱动，陀螺仪易受电机运行时产生的电磁干扰，导致数据不准确，而且陀螺仪的误差是累加的，随着机器人的移动平台运行的时间越久，运行的时间越长而逐渐累加，导致误差越来越大，再者目前的机器人的移动平台多在室内运行且运行环境中难免会有铁质物品，罗经虽然是一种不会累加误差的姿态传感器，但其易受电磁干扰和铁质物品的干扰，且对罗经的干扰很大，在靠经铁质物体和电磁干扰时，数据误差较大。本发明针对罗经和陀螺仪易受电磁干扰的问题，采用一个绝对值式编码器和二个增量式编码器来进行位姿检测，进而达到精确位姿检测的效果。
对于目前已有的专利，其两个全向轮采用90度安装的方式，工作时的前进方向为两个全向轮的斜45度方向(发明专利公布号CN104615139A)，这样会导致在全向轮的自由小辊子上产生额外的摩擦力矩，引起全向轮和地面的打滑，进而导致编码器计程数据的误差。本发明两个全向轮的轴线和编码器a的轴线，采用两两正交的安装方式，工作时的前进方向分别为全向轮的轴线方向和径线方向，没有额外摩擦力矩的产生，配合两自由度的悬挂机构，保证全向轮和地面的充分无打滑接触，进而达到精确位姿检测的效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前位姿检测装置无法精准的检测全向移动平台的位姿，尤其是针对电磁干扰对罗经和陀螺仪的数据准确性影响很大，以及全向轮与地面的打滑导致编码器计程数据不准确，为解决这个问题，本发明提出了一种全向移动平台的位姿检测装置及位姿检测方法。
本发明的目的是这样实现的：包括顶板、设置在顶板上的主控板和直线导轨、设置在直线导轨上的滑块、设置在滑块上的手抓、设置在顶板上的步进电机、与步进电机输出端连接的丝杠、编码器a-c、转向杆、全向轮a和全向轮b，手抓的一端与丝杠连接，所述顶板上有弧形开槽，转向杆的竖直部分穿过弧形开槽伸到顶板上方，编码器a固定在顶板的上方，编码器b和c均固定在全向轮座上，编码器a通过传动轴a与转向杆的水平部分的一端连接，传动轴通过轴承穿过顶板，编码器b和编码器c分别通过传动轴b和c与联轴器一端相连，且两个联轴器另一端分别与全向轮a和b连接，且两个传动轴均通过轴承与全向轮座相连，全向轮a和全向轮b分别设置对于的联轴器上；所述全向轮座通过销轴与连杆相连，所述连杆通过销轴与转向杆水平部分的另一端相连。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述编码器a为绝对值式编码器所，述编码器b和编码器c为增量式编码器。
2.全向轮a和全向轮b的轴线相互垂直。
3.检测方法的步骤如下：
S1.位姿检测装置上电，确认恢复初始状态，编码器计程数据置零；
S2.已知当前坐标和目标坐标，把轨迹规划成若干个前进、横移、后退和旋转的行走路线；
S3.当前进行走时，手抓先松开转向杆，编码器a计程，编码器b计程，编码器c无效，根据编码器a的计程数据可得到移动平台行走的瞬时偏角θS，根据编码器b的计程，可计算出移动平台行走的距离，从而得到移动平台的位姿数据，设平台的初始位置坐标为(X1,Y1)，姿态角为θ1度，根据编码器b偏角发生前的计程数据求得全向轮b的径向方向移动距离为S1，根据编码器b偏角发生后的计程数据求得全向轮b的径向方向移动距离为S2，则移动平台位姿的计算公式为θ＝θ1+θS，X＝X1+S1+S2·sinθS，Y＝Y1+S2·cosθS；
S4.当旋转时，手抓先锁紧转向杆，编码器a无效，编码器b无效，编码器c计程，根据编码器c的计程数据，可得到移动平台的旋转角度，进而得到移动平台的姿态角；
S5.当横移或后退行走时，手抓先锁紧转向杆，编码器a无效，编码器b计程，编码器c 计程，根据编码器b和编码器c的计程数据，可计算出移动平台行走的距离，根据编码器b和编码器c偏离直线的突变计程数据得到移动平台偏离直线的移动距离L1，分别除以对应的全向轮到编码器a轴线的等效旋转半径r1，计算出移动平台的瞬时偏角θS1，计算公式为θS1＝L1/r1，进而得到移动平台的位姿数据，根据编码器b和编码器c的突变计程数据所计算出的偏角精度低于根据编码器a的计程数据所计算出的偏角精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本位姿检测装置摒弃了罗经和陀螺仪等传感器，只采用绝对值式编码器和增量式编码器，利用编码器的计程数据计算移动平台的位姿，进而解决了罗经易受电磁干扰和铁质物品干扰的问题以及和陀螺仪易受电磁干扰的问题。2. 本位姿检测装置的两个全向轮的轴线和编码器a的轴线，采用两两正交的安装方式，两个全向轮，呈一前一后安装，后侧安装的全向轮轴线与转向杆平行，用于增大回转半径，可提高位姿检测的精度，工作时的前进方向分别为全向轮的轴线方向和径线方向，没有额外摩擦力矩的产生，同时橡胶辊子与地面的摩擦力大于传动轴与轴承和编码器的摩擦力，用于保证全向轮在地面上滚动时不产生打滑，进而保证编码器计程数据的准确度。3.转向杆、连杆和全向轮座组成一个二自由度的悬挂系统，位姿检测装置与移动平台刚性连接，两个全向轮的浮动依靠二自由度的悬挂系统，当地面的不平整导致移动平台的支撑基准面与位姿检测装置全向轮的支撑基准面高度不一致时，通过两自由度的悬挂机构的调节，可保证全向轮和地面的充分无打滑接触。4.在轨迹规划时可只规划前进、横移、后退和旋转的折线形行走路线，这折线形的行走路线可更精准的检测轨迹数据。
附图说明
图1是位姿检测装置的整体结构示意图；
图2是图一的左视图；
图3是图一的俯视图；
图4是全向轮的整体结构示意图；
图5是连杆与全向轮座和传动轴的连接结构示意图；
图6是全向轮的安装位置示意图；
图7是全向轮与不平整地面的接触示意图；
图8是行走轨迹示意图；
图中具体附图标记如下：
1-顶板；2-传动轴；3-编码器a；4-直线导轨；5-手抓；6-滑块；7-丝杠；8-步进电机；9-主控板；10-联轴器；11-全向轮a；12-轴承；13-编码器c；14-全向轮座；15-销轴；16- 连杆；17-全向轮b；18-转向杆；19-编码器b；20-地面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图8，一种全向移动平台的位姿检测装置包括全向轮、传动轴、编码器、轴承、联轴器、全向轮座、连杆、销轴、转向杆、顶板、丝杠、直线导轨、滑块、手抓、步进电机、主控板；参考附图1-5所示，所述顶板1为位姿检测装置的安装基准机架，其中直线导轨4安装在顶板1的上方，滑块6与直线导轨4配合使用，手抓5固定在滑块6的上方，丝杆7一端旋入手抓5内，丝杆7另一端与步进电机8相连，步进电机8固定在顶板1上方，所述主控板9固定在顶板1的上方；
所述编码器共有三个，所述编码器a3为绝对值式编码器，编码器a3通过传动轴2与转向杆18连接，编码器a3固定在顶板1的上方，传动轴2通过轴承12穿过顶板1，所述编码器b19和编码器c13为增量式编码器，编码器b19和编码器c13分别通过传动轴2与联轴器 10一端相连，联轴器10另一端与全向轮11连接，这两个编码器均固定在全向轮座14上，这两个传动轴2均通过轴承12与全向轮座14相连；
所述全向轮座14通过销轴15与连杆16相连，所述连杆16通过销轴15与转向杆18相连，连杆内装有轴承12。
两个全向轮均为从动轮，两个轮子均采用全向轮的原因为，当移动平台有圆周方向的运动产生偏角时，全向轮可短暂的保持初始状态，并跟正常轮子一样运动，从而就可带动编码器a转动，获得一个偏角的计程数据，当全向轮有轴向运动时，轴向运动依靠全向轮上的小辊子实现滚动，在轴向方向上不产生测量数据，进而保证全向轮径向运动数据的准确性，两个正交安装的全向轮只准确的产生各自径向方向运动的测量数据。
作为优选方案，转向杆、连杆和全向轮座组成一个二自由度的悬挂系统，全向轮座可绕连杆自由转动，连杆和全向轮座的连接为紧配合，保证连杆和全向轮座无轴向晃动，连杆内装有轴承，保证连杆和全向轮座相对顺滑的滑动，连杆可绕转向杆自由转动，连杆和转向杆的连接为紧配合，保证连杆和转向杆无轴向晃动，连杆内装有轴承，保证连杆和全向轮座相对顺滑的滑动，如图5所示，当地面的不平整导致移动平台的支撑基准面与位姿检测装置全向轮的支撑基准面高度不一致时，通过两自由度的悬挂机构的调节，可保证全向轮和地面的充分无打滑接触，如图7所示。
作为优选方案，全向轮座可调节配重，并通过自重提供正压力，用于调整全向轮所需的正压力。具体说是：全向轮座可调节配重，并通过自重提供正压力，再根据全向轮的橡胶辊子与地面的摩擦系数，可产生摩擦力，此摩擦力大于传动轴与编码器和轴承的摩擦力之和，用于保证全向轮在地面上滚动时不产生打滑，进而保证编码器计程数据的准确度。
作为优选方案，两个全向轮的轴线和编码器a的轴线，采用两两正交的安装方式，两个全向轮的轴线呈90度，编码器a的轴线与两个全向轮的轴线均呈90度，两个全向轮呈一前一后安装，后侧安装的为全向轮a，其轴线与转向杆平行，用于增大回转半径，可提高位姿检测的精度，如图6所示。
作为优选方案，位姿检测装置安装在全向移动平台的下方，移动平台的中心与编码器a 的轴线重合，位姿检测装置与移动平台刚性连接，位姿检测装置的头部为装有编码器a的一端，位姿检测装置的头部与移动平台的头部安装在同一侧，位姿检测装置在初始状态时，全向轮a的轴线方向与移动平台的前进方向一致，位姿检测装置的初始状态为手抓锁定转向杆。
作为优选方案，所述顶板上设有安装孔，用于位姿检测装置与全向移动平台的连接。
作为优选方案，所述传动轴的数量为3个，所述全向轮的数量为2个。
可根据对应全向轮上增量式编码器的计程数据，得到对应全向轮径向方向的移动距离，计算公式为
Figure BDA0003229738690000041
其中S为径向方向的移动距离，M为编码器反馈脉冲数，N为每转脉冲数，r为全向轮到编码器a轴线的等效旋转半径。
所述顶板上有弧形开槽，转向杆的上半部分通过弧形开槽伸到顶板上方，步进电机可驱动丝杠旋转，手抓可在丝杠的驱动下沿直线导轨运动，手抓的张开弧度比顶板上的弧形开槽相稍大，用于完成对转向杆在其转动范围内的抓取，进而完成锁紧或松开转向杆，手抓通过锁紧转向杆的上半部分，把转向杆固定在初始位置，进而锁定全向轮绕编码器a的轴线旋转。
所述的位姿检测装置用于全向移动平台，全向移动平台为采用全向轮的全驱动移动平台，移动平台可绕自身的中心旋转。
一种位姿检测装置进行位姿检测的方法，步骤如下：
S1.位姿检测装置上电，确认恢复初始状态，编码器计程数据置零；
S2.已知当前坐标和目标坐标，把轨迹规划成若干个前进、横移、后退和旋转的行走路线；
S3.当前进行走时，手抓先松开转向杆，编码器a计程，编码器b计程，编码器c无效，根据编码器a的计程数据可得到移动平台行走的瞬时偏角，根据编码器b的计程，可计算出移动平台行走的距离，从而得到移动平台的位姿数据；设平台的初始位置坐标为(X1,Y1)，姿态角为θ1度，根据编码器b偏角发生前的计程数据求得全向轮b的径向方向移动距离为S1，根据编码器b偏角发生后的计程数据求得全向轮b的径向方向移动距离为S2，则移动平台位姿的计算公式为θ＝θ1+θS，X＝X1+S1+S2·sinθS，Y＝Y1+S2·cosθS，行走轨迹如图8所示；
S4.当旋转时，手抓先锁紧转向杆，编码器a无效，编码器b无效，编码器c计程，根据编码器c的计程数据，可得到移动平台的旋转角度，进而得到移动平台的姿态角；
S5.当横移或后退行走时，手抓先锁紧转向杆，编码器a无效，编码器b计程，编码器c 计程，根据编码器b和编码器c的计程数据，可计算出移动平台行走的距离，根据编码器b和编码器c偏离直线的突变计程数据得到移动平台偏离直线的移动距离L1，分别除以对应的全向轮到编码器a轴线的等效旋转半径r1，可计算出移动平台的瞬时偏角θS1，计算公式为θS1＝L1/r1，进而得到移动平台的位姿数据，理论情况下，根据编码器b和编码器c的突变计程数据所计算出的偏角精度低于根据编码器a的计程数据所计算出的偏角精度。

Claims (2)

1.一种全向移动平台的位姿检测装置，其特征在于：包括顶板、设置在顶板上的主控板和直线导轨、设置在直线导轨上的滑块、设置在滑块上的手抓、设置在顶板上的步进电机、与步进电机输出端连接的丝杠、编码器a、编码器b和编码器c、转向杆、全向轮a和全向轮b，手抓的一端与丝杠连接，所述顶板上有弧形开槽，转向杆的竖直部分穿过弧形开槽伸到顶板上方，编码器a固定在顶板的上方，步进电机驱动丝杠旋转，手抓在丝杠的驱动下沿直线导轨运动，手抓的张开弧度比顶板上的弧形开槽大，用于完成对转向杆在其转动范围内的抓取，进而完成锁紧或松开转向杆，手抓通过锁紧转向杆的上半部分，把转向杆固定在初始位置，进而锁定全向轮绕编码器a的轴线旋转；编码器b和编码器c均固定在全向轮座上，编码器a通过传动轴a与转向杆的水平部分的一端连接，传动轴a通过轴承穿过顶板，编码器b和编码器c分别通过传动轴b和传动轴c与联轴器一端相连，且两个联轴器另一端分别与全向轮a和b连接，且两个传动轴b和传动轴c均通过轴承与全向轮座相连，全向轮a和全向轮b分别设置在对应的联轴器上；所述全向轮座通过销轴与连杆相连，所述连杆通过销轴与转向杆水平部分的另一端相连；所述编码器a为绝对值式编码器所，所述编码器b和编码器c为增量式编码器；全向轮a和全向轮b的轴线相互垂直，编码器a的轴线与全向轮a和全向轮b的轴线均呈90度。
2.根据权利要求1所述的全向移动平台的位姿检测装置的位姿检测方法，其特征在于：步骤如下：
S1.位姿检测装置上电，确认恢复初始状态，编码器计程数据置零；
S2.已知当前坐标和目标坐标，把轨迹规划成若干个前进、横移、后退和旋转的行走路线；
S3.当前进行走时，手抓先松开转向杆，编码器a计程，编码器b计程，编码器c无效，根据编码器a的计程数据可得到移动平台行走的瞬时偏角θS，根据编码器b的计程，可计算出移动平台行走的距离，从而得到移动平台的位姿数据，设平台的初始位置坐标为(X1,Y1)，姿态角为θ1度，根据编码器b偏角发生前的计程数据求得全向轮b的径向方向移动距离为S1，根据编码器b偏角发生后的计程数据求得全向轮b的径向方向移动距离为S2，则移动平台位姿的计算公式为θ＝θ1+θS，X＝X1+S1+S2·sinθS，Y＝Y1+S2·cosθS；
S4.当旋转时，手抓先锁紧转向杆，编码器a无效，编码器b无效，编码器c计程，根据编码器c的计程数据，可得到移动平台的旋转角度，进而得到移动平台的姿态角；
S5.当横移或后退行走时，手抓先锁紧转向杆，编码器a无效，编码器b计程，编码器c计程，根据编码器b和编码器c的计程数据，可计算出移动平台行走的距离，根据编码器b和编码器c偏离直线的突变计程数据得到移动平台偏离直线的移动距离L1，分别除以对应的全向轮到编码器a轴线的等效旋转半径r1，计算出移动平台的瞬时偏角θS1，计算公式为θS1＝L1/r1，进而得到移动平台的位姿数据，根据编码器b和编码器c的突变计程数据所计算出的偏角精度低于根据编码器a的计程数据所计算出的偏角精度。
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