CN114216460A - 里程计定位方法、全局定位方法及定位系统 - Google Patents

里程计定位方法、全局定位方法及定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及定位技术领域，尤指一种里程计定位方法、全局定位方法及定位系统，该定位系统包括驱动轮编码器、辅助轮编码器、惯性测量单元及处理器。里程计定位方法通过在驱动轮编码器的基础上，增加了辅助轮编码器的数据来提高数据的精准度和可靠性，满足了高精准度和可靠性、易于转换工作环境和低成本的要求。

Description

里程计定位方法、全局定位方法及定位系统
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤指一种里程计定位方法、全局定位方法及定位系统。
背景技术
针对不同的机器人种类、工作环境、任务类型等，机器人的定位系统会有不同的限制和要求，设计也会因而改变。两轮机器人的定位系统现今已经是比较成熟，一般都是在两个轮子的驱动电机上安装旋转编码器，取两个编码器的读数，结合机器人的一些参数，如电机齿轮比、轮子大小、轮子距离等算出机器人的线性和旋转速度，再以一阶泰勒展开绩分成姿势，一些较优的系统会加入IMU去提升定位的精准度。这类定位系统相对而言成本较低，也比较容易实现，但输出的位姿是相对于机器人的起始位姿，误差会随着移动积分起来，因此需要传感器的数据准确反映机器人的移动。
然而工作环境在未知、表面摩擦力低、高低不平的时候，例如湿润或有灰尘的太阳能面板上，驱动轮不能很好的反映机器人的移动，例如驱动轮打滑或者被障碍物顶住时，这类的定位系统的误差便会增长的很快，可靠性也会有所下降。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种适用于太阳能板清洁机器人的里程计定位方法、全局定位方法及定位系统，提高了定位的精准度和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种里程计定位方法，包括如下步骤：
在驱动轮设置有驱动轮编码器，通过计算获得驱动轮直线速度及驱动轮旋转速度；
在辅助轮设置有辅助轮编码器，通过计算获得辅助轮直线速度及驱动轮旋转速度；
对驱动轮直线速度和辅助轮直线速度进行滤波处理，得到最终的直线速度；
对驱动轮旋转速度和辅助轮旋转速度进行滤波处理，得到最终的旋转速度；
根据直线速度和旋转速度计算出机器人当前姿态。
作为一种优选方案，在滤波处理前，在机器人设置有陀螺仪，通过计算获得陀螺仪旋转速度。
作为一种优选方案，在对驱动轮旋转速度和辅助轮旋转速度进行滤波处理时，还需要对陀螺仪旋转速度一同进行滤波处理，得到最终的旋转速度。
作为一种优选方案，所述驱动轮直线速度通过对左右两个驱动轮的驱动轮编码器数据进行平均化而得到，其计算公式如下：
Figure BDA0003369148160000021
所述驱动轮旋转速度通过对左右两个驱动轮的驱动轮编码器数据进行相差值换算获得，其换算公式如下：
Figure BDA0003369148160000022
其中，左右两个驱动轮的驱动轮编码器读数分别为er和el；驱动轮半径为Rdriving；驱动轮一圈总步数为Cdriving；采样周期为Tsample；驱动轮距离为Distdriving；
所述辅助轮直线速度及所述辅助轮旋转速度同理获得。
本发明采用的技术方案还提供一种全局定位方法，基于上述所述的里程计定位方法实现，包括如下步骤：
在机器人的驱动轮和辅助轮设置有编码器，通过里程计定位方法计算获得里程计旋转速度和里程计直线速度，并对里程计旋转速度换算成里程计旋转角度；
在机器人设置有惯性测量单元，获取机器人的IMU数据，通过计算获得三轴旋转角度；
惯性测量单元的加速度计通过计算获得机器人的相对倾斜角度；
若倾斜角度大于特定角度，对三轴旋转角度与里程计旋转角度进行滤波，得到全局角度；若倾斜角度小于特定角度，对里程计旋转角度进行滤波，得到全局角度；
里程计旋转速度以一阶泰勒展开计算后，获得里程计旋转角度。
作为一种优选方案，里程计旋转角度以一阶泰勒展开计算后再经滤波，获得全局角度。
作为一种优选方案，所述三轴旋转角度通过以下计算公式获得：
Figure BDA0003369148160000031
所述机器人的相对倾斜角度可以通过以下公式获得：
Figure BDA0003369148160000032
其中，ax、ay、az为加速度计三个方向的读数，atan2(a,b)为arctan(a/b)的函数。
作为一种优选方案，对里程计直线速度及全局角度以一阶泰勒展开计算的公式如下：
Anglet+1＝Anglet+Angular vel.t*Tupdate；
Y positiont+1＝Y positiont+Linear vel.t*cos(Anglet)*Tupdate；
X positiont+1＝X positiont+Linear vel.t*sin(Anglet)*Tupdate；
其中，Anglet、Y positiont、X positiont为机器人在当前时间点的位姿；Anglet+1、Y positiont+1、X positiont+1为机器人在下一个时间点的位姿；而Tupdate为两个时间点之间的时间差。
本发明采用的技术方案还提供一种定位系统，应用于轮式移动机器人，所述定位系统包括：
驱动轮编码器，安装在轮式移动机器人的驱动轮；
辅助轮编码器，安装在轮式移动机器人的辅助轮；
惯性测量单元，安装在轮式移动机器人的底盘；
处理器，根据驱动轮编码器、辅助轮编码器及惯性测量单元采集到的数据进行计算获得全局角度及全局位置。
作为一种优选方案，所述驱动轮编码器和所述辅助轮编码器为光栅旋转编码器；所述驱动轮编码器和所述轮式移动机器人的驱动轮数量一一对应且为两个；所述辅助轮编码器和所述轮式移动机器人的辅助轮数量一一对应且为两个。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种易于转换工作环境、适用于太阳能板清洁机器人的定位系统。在现有定位系统的基础上，通过在驱动轮的两侧增加了辅助轮，同时根据轮子数量对应设有驱动轮编码器和辅助轮编码器，可以在不加入外置传感器的条件下，提升定位系统的精准度和可靠性，特别是在驱动轮容易打滑的低摩擦力表面工作环境下，提升得尤其显着。
本发明根据该定位系统提供了相关的定位方法，提高了定位的精准度和可靠性，满足了易于转换工作环境和低成本的要求，为一些易搬运的小型太阳能板清洁机器人提供一个优良的选择。
附图说明
图1是本发明的里程计定位方法的流程示意图。
图2是本发明的全局定位方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，本发明关于一种里程计定位方法，包括如下步骤：
S10、在驱动轮设置有驱动轮编码器，通过计算获得驱动轮直线速度及驱动轮旋转速度；
S20、在辅助轮设置有辅助轮编码器，通过计算获得辅助轮直线速度及驱动轮旋转速度；
S30、对驱动轮直线速度和辅助轮直线速度进行滤波处理，得到最终的直线速度；
S40、对驱动轮旋转速度和辅助轮旋转速度进行滤波处理，得到最终的旋转速度；
S50、根据直线速度和旋转速度计算出机器人当前姿态。
由于太阳能板上的环境可能会湿润或有灰尘，因此表面的摩擦力不一定高；另外板子与板子之间可能有缝隙或凸出的边框，机器人可能碰到时会有一定的卡顿；再加上为了方便搬运，机器人设计的重量会比较轻；综合以上，驱动轮子有打滑的可能，故轮式编码器计算出的速度会受到影响，单纯只用轮式编码器作定位并不可靠，故本发明在驱动轮编码器的基础上，加入辅助轮编码器以提升准确度。
在步骤S10中，驱动轮直线速度通过对左右两个驱动轮的驱动轮编码器数据进行平均化而得到，其计算公式如下：
Figure BDA0003369148160000061
驱动轮旋转速度通过对左右两个驱动轮的驱动轮编码器数据进行相差值换算获得，其换算公式如下：
Figure BDA0003369148160000062
其中，左右两个驱动轮的驱动轮编码器读数分别为er和el；驱动轮半径为Rdriving；驱动轮一圈总步数为Cdriving；采样周期为Tsample；驱动轮距离为Distdriving；
辅助轮直线速度及辅助轮旋转速度采用上述公式同理获得。
为提高旋转速度的数据准确度，引入了陀螺仪。在滤波处理前，在机器人设置有陀螺仪，通过计算获得陀螺仪旋转速度；之后对驱动轮旋转速度和辅助轮旋转速度进行滤波处理时，还需要对陀螺仪旋转速度一同进行滤波处理，得到最终的旋转速度。
最终，三种传感器(驱动轮编码器、辅助轮编码器和陀螺仪)换算出的速度(旋转速度和直线速度)会透过卡尔曼滤波器融合出较准确的直线速度和旋转速度。
请参阅图2所示，本发明还关于一种全局定位方法，基于上述所述的里程计定位方法实现，包括如下步骤：
S100、在机器人的驱动轮和辅助轮设置有编码器，通过里程计定位方法计算获得里程计旋转速度和里程计直线速度，并对里程计旋转速度换算成里程计旋转角度；
S200、在机器人设置有惯性测量单元，获取机器人的IMU数据，通过计算获得三轴旋转角度；
S300、惯性测量单元的加速度计通过计算获得机器人的相对倾斜角度；
S400、若倾斜角度大于特定角度，对三轴旋转角度与里程计旋转角度进行滤波，得到全局角度；若倾斜角度小于特定角度，对里程计旋转角度进行滤波，得到全局角度；
S500、对里程计直线速度及全局角度以一阶泰勒展开计算，获得当前的全局位置。
本发明的全局定位方法是基于里程计定位方法来实现，通过采用驱动轮编码器和辅助轮编码器两个编码器提升定位精准度，而惯性测量单元则提升全局角度的精准度。
在步骤S100中，里程计旋转速度以一阶泰勒展开计算后，获得里程计旋转角度。
在步骤S200中，三轴旋转角度通过惯性测量单元的加速度计的读数加以计算获得，其计算公式如下：
Figure BDA0003369148160000081
同样地，在步骤S300中，机器人的相对倾斜角度也是通过惯性测量单元的加速度计的读数加以计算获得，其计算公式如下：
Figure BDA0003369148160000082
其中，ax、ay、az为加速度计三个方向的读数，atan2(a,b)为arctan(a/b)的函数。
在步骤S400中，倾斜角度的特定角度设定为7度。若倾斜角度大于7度，加速度计计算出的三轴旋转角度较为可信，将在机器人停定时用于全局定位。即惯性测量单元能计算出可信的全局角度，卡尔曼滤波器会取得所有可信的角度(三轴旋转角度及里程计旋转角度)进行滤波，得出最优全局角度，否则全局角度只会以里程计旋转角度为准。
另外，针对当下数据是否准确，是否需要修订，通过加速度计的计算引入“总加速度”这一定义。当总加速度的数值跟引力g(g约为9.8m/s2)的数值差距不大时，机器人会被视为静止状态，才会更新修正角度。
该总加速度通过公式
Figure BDA0003369148160000091
可获得。
在步骤S500中，对里程计直线速度及全局角度以一阶泰勒展开计算的公式如下：
Anglet+1＝Anglet+Angular vel.t*Tupdate；
Y positiont+1＝Y positiont+Linear vel.t*cos(Anglet)*Tupdate；
X positiont+1＝X positiont+Linear vel.t*sin(Anglet)*Tupdate；
其中，Anglet、Y positiont、X positiont为机器人在当前时间点的位姿；Anglet+1、Y positiont+1、X positiont+1为机器人在下一个时间点的位姿；而Tupdate为两个时间点之间的时间差。在这里，位姿包括了角度、X轴坐标位置和Y轴坐标位置。
最后，为了实现里程计定位方法及全局定位方法，本发明还关于一种定位系统，应用于轮式移动机器人，所述定位系统包括驱动轮编码器、辅助轮编码器、惯性测量单元及处理器。驱动轮编码器安装在轮式移动机器人的驱动轮；辅助轮编码器安装在轮式移动机器人的辅助轮；惯性测量单元安装在轮式移动机器人的底盘；处理器根据驱动轮编码器、辅助轮编码器及惯性测量单元采集到的数据进行计算获得全局角度及全局位置。
优选地，驱动轮编码器和辅助轮编码器为光栅旋转编码器，其读数为每采样周期编码器光栅转动的步，当然也可以用光流传感器代替。在本实施例中，驱动轮编码器和轮式移动机器人的驱动轮数量一一对应且为两个；辅助轮编码器和轮式移动机器人的辅助轮数量一一对应且为两个。当然可以为了提高准确率或者根据需求对轮子和编码器的数量进行增加，在此不再赘述。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种里程计定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
在驱动轮设置有驱动轮编码器，通过计算获得驱动轮直线速度及驱动轮旋转速度；
在辅助轮设置有辅助轮编码器，通过计算获得辅助轮直线速度及驱动轮旋转速度；
对驱动轮直线速度和辅助轮直线速度进行滤波处理，得到最终的直线速度；
对驱动轮旋转速度和辅助轮旋转速度进行滤波处理，得到最终的旋转速度；
根据直线速度和旋转速度计算出机器人当前姿态。
2.根据权利要求1所述的里程计定位方法，其特征在于：在滤波处理前，在机器人设置有陀螺仪，通过计算获得陀螺仪旋转速度。
3.根据权利要求2所述的里程计定位方法，其特征在于：在对驱动轮旋转速度和辅助轮旋转速度进行滤波处理时，还需要对陀螺仪旋转速度一同进行滤波处理，得到最终的旋转速度。
4.根据权利要求1所述的里程计定位方法，其特征在于，所述驱动轮直线速度通过对左右两个驱动轮的驱动轮编码器数据进行平均化而得到，其计算公式如下：
Figure FDA0003369148150000011
所述驱动轮旋转速度通过对左右两个驱动轮的驱动轮编码器数据进行相差值换算获得，其换算公式如下：
Figure FDA0003369148150000012
其中，左右两个驱动轮的驱动轮编码器读数分别为er和el；驱动轮半径为Rdriving；驱动轮一圈总步数为Cdriving；采样周期为Tsample；驱动轮距离为Distdriving；
所述辅助轮直线速度及所述辅助轮旋转速度同理获得。
5.一种全局定位方法，基于权利要求1-4中任一项所述的里程计定位方法实现，其特征在于，包括如下步骤：
在机器人的驱动轮和辅助轮设置有编码器，通过里程计定位方法计算获得里程计旋转速度和里程计直线速度，并对里程计旋转速度换算成里程计旋转角度；
在机器人设置有惯性测量单元，获取机器人的IMU数据，通过计算获得三轴旋转角度；
惯性测量单元的加速度计通过计算获得机器人的相对倾斜角度；
若倾斜角度大于特定角度，对三轴旋转角度与里程计旋转角度进行滤波，得到全局角度；若倾斜角度小于特定角度，对里程计旋转角度进行滤波，得到全局角度；
对里程计直线速度及全局角度以一阶泰勒展开计算，获得当前的全局位置。
6.根据权利要求5所述的全局定位方法，其特征在于：里程计旋转速度以一阶泰勒展开计算后，获得里程计旋转角度。
7.根据权利要求5所述的全局定位方法，其特征在于，所述三轴旋转角度通过以下计算公式获得：
Figure FDA0003369148150000021
所述机器人的相对倾斜角度可以通过以下公式获得：
Figure FDA0003369148150000022
其中，ax、ay、az为加速度计三个方向的读数，atan2(a,b)为arctan(a/b)的函数。
8.根据权利要求5所述的全局定位方法，其特征在于，对里程计直线速度及全局角度以一阶泰勒展开计算的公式如下：
Anglet+1＝Anglet+Angular vel·t*Tupdate；
Y positiont+1＝Y positiont+Linear vel·t*cos(Anglet)*Tupdate；
X positiont+1＝X positiont+Linear vel·t*sin(Anglet)*Tupdate；
其中，Anglet、Y positiont、X positiont为机器人在当前时间点的位姿；Anglet+1、Ypositiont+1、X positiont+1为机器人在下一个时间点的位姿；而Tupdate为两个时间点之间的时间差。
9.一种定位系统，应用于轮式移动机器人，其特征在于，所述定位系统包括：
驱动轮编码器，安装在轮式移动机器人的驱动轮；
辅助轮编码器，安装在轮式移动机器人的辅助轮；
惯性测量单元，安装在轮式移动机器人的底盘；
处理器，根据驱动轮编码器、辅助轮编码器及惯性测量单元采集到的数据进行计算获得全局角度及全局位置。
10.根据权利要求9所述的定位系统，其特征在于：所述驱动轮编码器和所述辅助轮编码器为光栅旋转编码器；所述驱动轮编码器和所述轮式移动机器人的驱动轮数量一一对应且为两个；所述辅助轮编码器和所述轮式移动机器人的辅助轮数量一一对应且为两个。
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