CN114932963B - 一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能小车技术领域，公开了一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，包括底盘，该底盘的顶部固定安装有固定框，固定框的底部内壁上固定安装有控制终端，底盘的正面从左到右设置有一号轮与四号轮，所述底盘的背部从左到有设置有二号轮与三号轮，所述固定框的顶部内壁上固定安装有陀螺仪，所述一号轮包括转动轴，所述转动轴转动安装在底盘的底部，所述转动轴的正面固定安装有轮毂。本发明使用陀螺仪的偏航角进行姿态纠正，具有很好的兼容性，不局限于特定的场地或赛道，同时精度高，在低速行驶时，响应时间充足，可以及时纠偏；在快速行驶时，利用过补偿算法可以消除误差的累加。

Description

一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车
技术领域
本发明涉及智能小车技术领域，具体涉及一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车。
背景技术
在生产及生活中，常常使用智能小车在危险环境中进行货物的运送或者药品的运输等，以降低危险及人力劳动，现在智能小车的一般是普通轮式小车利用差速转弯或者舵机转弯以改变小车的前进方向；而搭配麦克纳姆轮的智能小车因其出色的灵活性和自由度在也在该领域或将成为主流。
现在智能小车常用的行驶路径修正及姿态纠正方法有：GPS定位、激光雷达定位、摄像头视觉处理、多传感器识别网格线等，方法在实内信号会有较大的偏差，且对于小型的智能小车无法达到精度要求。
(1)基于GPS的定位。该方法在实内信号会有较大的偏差，且对于小型的智能小车无法达到精度要求。
(2)基于激光雷达的定位。该方法需要特定的参照物体，且高精度的激光雷达成本高，算法运算量大。
(3)基于摄像头视觉处理的定位。该方法对算法要求高，图像处理运算量大，容易受到环境的影响，需要特定的赛道才能完成定位，不具有普适性。
(4)基于多传感器识别网格线的定位。该方法占用了较大的车身体积，且需要特定的网格线上才能完成，不具有普适性。
因此，本发明提出一种利用陀螺仪偏航角来纠正麦克纳姆轮小车的行驶姿态，使智能小车能拥有全向行驶的自由度，在小车以任意角度斜向行驶的同时高精度纠正小车姿态，保证小车姿态不变，使得小车可以可靠的行驶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，使用陀螺仪的偏航角进行姿态纠正，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，包括底盘，所述底盘的顶部固定安装有固定框，所述固定框的底部内壁上固定安装有控制终端，所述固定框的底部内壁上固定安装有蓄电池，所述底盘的正面从左到右设置有一号轮与四号轮，所述底盘的背部从左到有设置有二号轮与三号轮，所述固定框的顶部内壁上固定安装有陀螺仪。
所述一号轮包括转动轴，所述转动轴转动安装在底盘的底部，所述转动轴的正面固定安装有轮毂，所述轮毂的外部设置有安装架，所述安装架的内侧设置有转动轮，所述转动轮的中间位置设置有插销。
优选的，所述一号轮的外部设置有九个转动轮，且所述二号轮、三号轮以及四号轮结构均与一号轮相同，便于使一号轮、二号轮、三号轮以及四号轮进行独立的转动。
优选的，所述转动轮转动安装在安装架之间，且所述插销穿过转动轮固定安装在安装架之间，便于使转动轮转动安装在安装架之间。
优选的，所述控制终端内设置有纠偏算法与过补偿纠偏算法，并通过控制终端进行自动选择算法，便于通过控制终端进行小车的自动调整。
优选的，所述底盘为全向平行运动，确定两个参数α，ν，α为期望平移行驶的角度，ν为期望速度，从左上轮按顺时针排序，设VX为小车沿x轴方向上的速度，Vy为小车沿y轴方向上的速度，其初级逆动力学方程为
当小车沿x轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿y轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿o点以速度ω旋转时，四个轮子的期望速度为
k为实际情况中的补偿系数；
当小车按与y轴夹角为α方向，速度为ν时，四个轮子的期望速度为
优选的，所述控制终端中的纠偏算法在低速行驶时使用，通过陀螺仪精确的得出小车的行驶姿态，小车旋转的角度Δθ，则为小车需要纠正的量。刚开始出现的偏移量很小，所以我们只需要取对角的轮速进行补偿仅对一号轮与三号轮进行补偿，补偿后四个轮子的期望速度为
其中p为实际情况中的纠偏系数，补偿量p*Δθ随着偏移量线性变化，当小车恢复原姿态时，Δθ为0，即无补偿量。
优选的，所述控制终端中的过补偿算法在快速行驶时使用，当小车快速行驶时，姿态微小的偏移量也会造成行驶轨迹偏移，其偏移量会随着小车行驶的时间累加，要对该情况下进行纠偏则要对四个轮子的期望速度过补偿，当小车姿态改变时，小车上的陀螺仪测出其偏转角度为Δθ＝β，取对一号轮与三号轮的轮速进行第一次补偿，其期望速度为
其中p*Δθ+b为总补偿量，b为常数，由实际情况确定。
优选的，所述控制终端中的过补偿算法在快速行驶时使用，当小车第一次恢复原状态，即偏转角度Δθ＝0时，此时期望速度仍进行补偿为
当小车过补偿使其偏转角度Δθ＝-β时，期望速度为
当小车第二次恢复原状态，即偏转角度Δθ＝0时，此时期望速度无补偿为小车偏移得到纠正。
与现有技术相比，本发明提供的狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，具备以下有益效果：
1、该狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，利用陀螺仪偏航角来纠正小车的行驶姿态，使智能小车能拥有全向行驶的自由度，在小车以任意角度斜向行驶的同时高精度纠正小车姿态，保证小车姿态不变，使得小车可以可靠的行驶。
2、该狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，使用陀螺仪的偏航角进行姿态纠正，具有很好的兼容性，不局限于特定的场地或赛道，同时精度高，在低速行驶时，响应时间充足，可以及时纠偏；在快速行驶时，利用过补偿算法可以消除误差的累加。
3、该狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，可以通过不同的行驶速度选择不同的算法来修正小车的行驶姿态，实现高精度全向平行移动，并且算法简单，占用处理器资源少，仅需要简单的数学运算即可完成模型的求解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明实施例智能侦测小车的正面结构示意图；
图2为本发明实施例智能侦测小车的正面结构剖视示意图；
图3为本发明实施例智能侦测小车的俯视结构示意图；
图4为本发明图3中A处结构放大示意图；
图5为本发明实施例智能侦测小车的预设行驶路线图；
图6为本发明实施例智能侦测小车的低速纠偏算法示意图；
图7为本发明实施例智能侦测小车的快速过补偿纠偏算法示意图。
图中：1、底盘；2、固定框；3、控制终端；4、蓄电池；5、一号轮；51、转动轴；52、轮毂；53、安装架；54、转动轮；55、插销；6、二号轮；7、三号轮；8、四号轮；9、陀螺仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1-7，本发明提供的狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，包括底盘1，底盘1的顶部固定安装有固定框2，固定框2的底部内壁上固定安装有控制终端3，固定框2的底部内壁上固定安装有蓄电池4，底盘1的正面从左到右设置有一号轮5与四号轮8，底盘1的背部从左到有设置有二号轮6与三号轮7，固定框2的顶部内壁上固定安装有陀螺仪9。
一号轮5包括转动轴51，转动轴51转动安装在底盘1的底部，转动轴51的正面固定安装有轮毂52，轮毂52的外部设置有安装架53，安装架53的内侧设置有转动轮54，转动轮54的中间位置设置有插销55，一号轮5的外部设置有九个转动轮54，且二号轮6、三号轮7以及四号轮8结构均与一号轮5相同，便于使一号轮5、二号轮6、三号轮7以及四号轮8进行独立的转动，转动轮54转动安装在安装架53之间，且插销55穿过转动轮54固定安装在安装架53之间，便于使转动轮54转动安装在安装架53之间，控制终端3的内设置有纠偏算法与过补偿纠偏算法，并通过控制终端3进行自动选择算法，便于通过控制终端3进行小车的自动调整。
底盘1为全向平行运动，确定两个参数α，ν，α为期望平移行驶的角度，ν为期望速度，从左上轮按顺时针排序，设VX为小车沿x轴方向上的速度，Vy为小车沿y轴方向上的速度，其初级逆动力学方程为
当小车沿x轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿y轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿o点以速度ω旋转时，四个轮子的期望速度为
k为实际情况中的补偿系数；
当小车按与y轴夹角为α方向，速度为ν时，四个轮子的期望速度为
当小车低速行驶时，小车姿态出现偏转，可采用纠偏算法实现姿态纠偏，如图6所示，当小车姿态出现偏移如状态①，控制器对小车的对角轮轮速进行补偿，其期望速度为当Δθ＝0姿态恢复时如状态②，其期望速度的补偿值p*Δθ＝0。
实施例2：
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，包括底盘1，底盘1的顶部固定安装有固定框2，固定框2的底部内壁上固定安装有控制终端3，固定框2的底部内壁上的固定安装有蓄电池4，底盘1的正面从左到右设置有一号轮5与四号轮8，底盘1的背部从左到有设设置有二号轮6与三号轮7，固定框2的顶部内壁上固定安装有陀螺仪9。
一号轮5包括转动轴51，转动轴51转动安装在底盘1的底部，转动轴51的正面固定安装有轮毂52，轮毂52的外部设置有安装架53，安装架53的内侧设置有转动轮54，转动轮54的中间位置设置有插销55，一号轮5的外部设置有九个转动轮54，且二号轮6、三号轮7以及四号轮8结构均与一号轮5相同，便于使一号轮5、二号轮6、三号轮7以及四号轮8进行独立的转动，转动轮54转动安装在安装架53之间，且插销55穿过转动轮54固定安装在安装架53之间，便于使转动轮54转动安装在安装架53之间，控制终端3内设置有纠偏算法与过补偿纠偏算法，并通过控制终端3进行自动选择算法，便于通过控制终端3进行小车的自动调整。
底盘1为全向平行运动，确定两个参数α，ν，α为期望平移行驶的角度，ν为期望速度，从左上轮按顺时针排序，设VX为小车沿x轴方向上的速度，Vy为小车沿y轴方向上的速度，其初级逆动力学方程为
当小车沿x轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿y轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿o点以速度ω旋转时，四个轮子的期望速度为
当小车按与y轴夹角为α方向，速度为ν时，四个轮子的期望速度为
当小车快速行驶时，小车姿态出现偏转，使其路径也出现偏移，此时需采用过补偿算法进行姿态纠偏。如图7所示，当小车姿态出现偏移如状态①，控制器对小车的对角轮轮速进行补偿，其期望速度为
当小车第一次恢复原状态如状态②，即偏转角度Δθ＝0，但此时小车以及偏离原来的预设路径，此时期望速度仍进行补偿为
当小车过补偿使其偏转角度Δθ＝-β时如状态③，期望速度为
当小车第二次恢复原状态，即偏转角度Δθ＝0时如状态④，此时小车偏移得到纠正，行驶轨迹回到原设路径上，期望速度无需补偿为
本发明基于陀螺仪传感器的偏航角进行修正小车的行驶姿态，可以通过不同的行驶速度选择不同的算法来修正小车的行驶姿态，实现高精度全向平行移动，相较于价格高昂的激光雷达，所使用的低成本陀螺仪一样可以实现高精度的行驶；算法简单，占用处理器资源少，相比于摄像头视觉处理的海量计算来说，本发明仅需要简单的数学运算即可完成模型的求解，在51单片机上也能够完成；本发明精度高，在低速行驶时，响应时间充足，可以及时纠偏；在快速行驶时，利用过补偿算法可以消除误差的累加，本发明环境兼容性好，不局限于特殊的赛道和场地，不需要额外为小车铺设标志物。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (5)

1.一种狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，包括底盘(1)，其特征在于：所述底盘(1)的顶部固定安装有固定框(2)，所述固定框(2)的底部内壁上固定安装有控制终端(3)，所述固定框(2)的底部内壁上固定安装有蓄电池(4)，所述底盘(1)的正面从左到右设置有一号轮(5)与四号轮(8)，所述底盘(1)的背部从左到右设置有二号轮(6)与三号轮(7)，所述固定框(2)的顶部内壁上固定安装有陀螺仪(9)；
所述一号轮(5)包括转动轴(51)，所述转动轴(51)转动安装在底盘(1)的底部，所述转动轴(51)的正面固定安装有轮毂(52)，所述轮毂(52)的外部设置有安装架(53)，所述安装架(53)的内侧设置有转动轮(54)，所述转动轮(54)的中间位置设置有插销(55)；
所述控制终端(3)内设置有纠偏算法与过补偿纠偏算法，并通过控制终端(3)进行自动选择算法；
所述控制终端(3)中的过补偿纠偏算法在快速行驶时使用，当小车快速行驶时，姿态微小的偏移量也会造成行驶轨迹偏移，其偏移量会随着小车行驶的时间累加，要对该情况下进行纠偏则要对四个轮子的期望速度过补偿，当小车姿态改变时，小车上的陀螺仪测出其偏转角度为Δθ＝β，取对一号轮(5)与三号轮(7)的轮速进行第一次补偿，确定两个参数α、v，α为期望平移行驶的角度，v为期望速度，从左上轮按顺时针排序，四个轮子的期望速度为
其中p*Δθ+b为总补偿量，b为常数，由实际情况确定；
所述控制终端(3)中的过补偿纠偏算法在快速行驶时使用，当小车第一次恢复原状态，即偏转角度Δθ＝0时，此时期望速度仍进行补偿为
当小车过补偿使其偏转角度Δθ＝-β时，期望速度为
当小车第二次恢复原状态，即偏转角度Δθ＝0时，此时期望速度无补偿为小车偏移得到纠正。
2.根据权利要求1所述的狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，其特征在于：所述一号轮(5)的外部设置有九个转动轮(54)，且所述二号轮(6)、三号轮(7)以及四号轮(8)结构均与一号轮(5)相同。
3.根据权利要求1所述的狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，其特征在于：所述转动轮(54)转动安装在安装架(53)之间，且所述插销(55)穿过转动轮(54)固定安装在安装架(53)之间。
4.根据权利要求1所述的狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，其特征在于：所述底盘(1)为全向平行运动，设Vx为小车沿x轴方向上的速度，Vy为小车沿y轴方向上的速度，其初级逆动力学方程为
当小车沿x轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿y轴运动时，四个轮子的期望速度为
当小车沿o点以速度ω旋转时，四个轮子的期望速度为
k为实际情况中的补偿系数；
当小车按与y轴夹角为α方向，速度为v时，四个轮子的期望速度为
5.根据权利要求1所述的狭窄环境用高精度全向平行移动智能侦测小车，其特征在于：所述控制终端(3)中的纠偏算法在低速行驶时使用，通过陀螺仪(9)精确的得出小车的行驶姿态，小车旋转的角度Δθ，则为小车需要纠正的量，刚开始出现的偏移量很小，所以我们只需要取对角的轮速进行补偿，补偿后四个轮子的期望速度为
其中p为实际情况中的纠偏系数，补偿量p*Δθ随着偏移量线性变化，当小车恢复原姿态时，Δθ为0，即无补偿量。
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