CN208296793U - 一种双编码器机器人定位导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双编码器机器人定位导航装置，包括：装置框架、采集卡、第一定位码盘、第二定位码盘以及定位轮，所述采集卡安装在所述装置框架上并与所述第一定位码盘、所述第二定位码盘通信连接，所述装置框架包括第一框架和第二框架；所述第二框架通过垂直于地面的转轴可旋转连接所述第一框架，所述定位轮通过平行于地面的转轴可旋转连接所述第二框架，所述第一定位码盘连接在所述第二框架上且与所述定位轮同轴，所述第二定位码盘安装在所述第一框架上且与垂直于地面的转轴同轴。本实用新型结构简单，实施方便，装置独立性和稳定性较高，有利于实现机器人较短时间内的高精度定位。同时价格相对低，速率快，精确度高、易于实现。

Description

一种双编码器机器人定位导航装置

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体地，涉及一种双编码器机器人定位导航装置。

背景技术

移动机器人的坐标定位是实现机器人自主行走、姿态控制、轨迹跟踪等各种任务的前提。机器人必须准确地知道自己的坐标位置及姿态参数才能正确准确的执行命令。因此，定位问题是移动机器人研究中的关键问题之一。

机器人的定位方式按照信息来源一般分为3种：第1种是完全依赖外部GPS等信息进行指引定位；第2种是靠自身配置的传感器获取环境信息进行定位；第3种是依靠惯性传感器实现自主定位。其中前2种定位方式均需要外部信息源作为引导，而使用摄像机、激光雷达、超声波、红外线和微波雷达等传感器定位时对机器人工作环境有一定的要求，使得机器人定位具有一定局限性，易受外部因素干扰。

专利CN105300378A采用基于两个编码器轴线不平行且互成任意角度分布的定位码盘及单轴光纤陀螺仪进行定位，该方案相对还是较复杂，还要依靠陀螺仪确定角度。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种双编码器机器人定位导航装置。

根据本实用新型提供的一种双编码器机器人定位导航装置，包括：装置框架1、采集卡2、第一定位码盘3、第二定位码盘4以及定位轮5，所述采集卡2安装在所述装置框架1上并与所述第一定位码盘3、所述第二定位码盘4通信连接，所述装置框架1包括第一框架101和第二框架102；

所述第二框架102通过垂直于地面的转轴可旋转连接所述第一框架101，所述定位轮5通过平行于地面的转轴可旋转连接所述第二框架102，所述第一定位码盘3连接在所述第二框架102上且与所述定位轮5同轴，所述第二定位码盘4安装在所述第一框架101上且与垂直于地面的转轴同轴。

较佳的，所述第一框架101为直角支架，所述直角支架的一边安装在机器人上，另一边安装所述采集卡2和所述第二定位码盘4。

较佳的，所述第二框架102通过轴承8连接垂直于地面的转轴，所述轴承8外设置有连接件9，所述第二框架102连接在所述连接件9上。

较佳的，所述第二框架102上设置有弹性件10。

较佳的，所述第一框架101安装在机器人的滚轮中心或驱动轮轴线中心。

较佳的，所述第一定位码盘3为增量式编码器，所述第二定位码盘4为绝对值编码器。

较佳的，所述定位轮5的边缘设置有橡胶外圈层。

较佳的，所述定位轮5的数量为一个或一个以上。

较佳的，所述采集卡2为STM32微控制采集处理卡。

较佳的，所述采集卡2包括输入接口、输出接口、通讯接口和显示屏。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型结构简单，实施方便，装置独立性和稳定性较高，有利于实现机器人较短时间内的高精度定位。同时编码器因价格相对低，速率快，精确度高、易于实现等优点成为定位实现方法的首选。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的侧视图；

图2为本实用新型的俯视图；

附图标记：

1-装置框架；101-第一框架；102-第二框架；2-采集卡；3-第一定位码盘；4-第二定位码盘；5-定位轮；6-垂直于地面的转轴；7-平行于地面的转轴；8-轴承；9-连接件；10-弹性件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供的一种双编码器机器人定位导航装置，主要包括：装置框架1、采集卡2、第一定位码盘3、第二定位码盘4以及定位轮5。

采集卡2安装在装置框架1上并与第一定位码盘3、第二定位码盘4通信连接，装置框架1包括第一框架101和第二框架102。第二框架102通过垂直于地面的转轴可旋转连接第一框架101，定位轮5通过平行于地面的转轴可旋转连接第二框架102，第一定位码盘3连接在第二框架102上且与定位轮5同轴，用于测量定位轮走过的距离。第二定位码盘4安装在第一框架101上且与垂直于地面的转轴同轴，用于检测定位机构相对于机器人偏转的角度。

在本实施例中，第一框架101为直角支架，直角支架的一边安装在机器人上，另一边安装采集卡2和第二定位码盘4。第二框架102通过轴承8连接垂直于地面的转轴，轴承8外设置有连接件9，第二框架102连接在连接件9上。编码器在机器人行走中实时测量机器人的行进距离，因此必须依附于定位轮5紧贴地面转动，不影响机器人的运动。考虑到地面的不平度以及加工、装配等误差，刚性的结构肯定无法保证定位轮与地面之间的配合，所以需要将整个机构做成弹性，来适应地面不平及加工误差。为了实现编码器定位的可靠性、灵敏性，将第一定位码盘3及定位轮5安装在第二框架102上，第二框架102上设置有弹性件10，一般为弹簧，第二定位码盘4本身作为定位轮结构的一部分，整个编码器定位系统为传感器，没有复杂的受力结构。第一定位码盘3采用增量式编码器，第二定位码盘4采用绝对值编码器。

为了实现对机器人行进距离的准确测量，第一框架101安装在四轮或三轮驱动底盘的轮中心或两轮驱动底盘的2个驱动轮轴线中心。定位轮5的直径经过精确标定，边缘附有橡胶外圈层，增加定位轮5与地面之间的摩擦，保证与地面能保持良好地接触，在跟随机器人运动的过程中不容易发生上下振动和打滑的现象。定位轮5的数量为一个或一个以上。

在本实施例中，采集卡2为STM32微控制采集处理卡，包括输入接口、输出接口、通讯接口和显示屏。显示屏显示的是绝对值编码器反馈的方向值信息和根据绝对值编码器和增量式编码器反馈量计算出的行驶的位置坐标，绝对值编码器通信方式采用485信号的方式。STM32微控制采集处理卡通过采集绝对值编码器和增量式编码器的输出信号，并经过位姿推算就可以得出机器人车体相对于全局坐标的位置和朝向。

本实用新型在实际使用中机器人位姿推算原理及过程如下：

设机器人已知的初始位置为A(x,y)点，在控制系统一个计算周期Δt时间内，机器人沿弧线从A(x,y)点走到A′(x′,y′)点。

Δx,Δy,Δθ分别表示在Δt时间内机器人由A点到A′点的横、纵坐标和角度的增加量；(x，y)是直角坐标系中的机器人坐标；θ则表示以横轴为起始位置并以逆时针方向为正的方向角；ΔS表示A点到A′点的弧长；R表示圆弧半径；于是Δx、Δy可由如下公式计算得到：

Δx＝ΔS*[sin(Δθ/2)/(Δθ/2)]*cos[θ+(Δθ/2)]

Δy＝ΔS*[sin(Δθ/2)/(Δθ/2)]*sin[θ+(Δθ/2)]

由于控制系统一个计算周期Δt时间很短，此时

Δθ→0，sin(Δθ/2)/(Δθ/2)→1

则上式可写成：

Δx＝ΔS*cos[θ+(Δθ/2)]

Δy＝ΔS*sin[θ+(Δθ/2)]

设Δt时间内编码器测量得到的机器人行进距离为L，则：

ΔS≈L

设lastA为上次计算得到的机器人航向角，A为当前的航向角，通过计算Δt时间内机器人的位置变化量Δx、Δy，进行累加，可求出机器人的位置:

x′＝x+L*cos[θ+(Δθ/2)]＝x+L*cos[(lastA+A)/2]

y′＝y+L*sin[θ+(Δθ/2)]＝y+L*sin[(lastA+A)/2]

这样，在初始坐标(x,y)的基础上，可计算得到机器人的新坐标(x′,y′)，将该(x′,y′)作为下一个周期的初始坐标(x,y)，如此循环迭代，就可以计算出机器人所在的位置坐标，从而实现机器人的自主定位。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，包括：装置框架(1)、采集卡(2)、第一定位码盘(3)、第二定位码盘(4)以及定位轮(5)，所述采集卡(2)安装在所述装置框架(1)上并与所述第一定位码盘(3)、所述第二定位码盘(4)通信连接，所述装置框架(1)包括第一框架(101)和第二框架(102)；

所述第二框架(102)通过垂直于地面的转轴可旋转连接所述第一框架(101)，所述定位轮(5)通过平行于地面的转轴可旋转连接所述第二框架(102)，所述第一定位码盘(3)连接在所述第二框架(102)上且与所述定位轮(5)同轴，所述第二定位码盘(4)安装在所述第一框架(101)上且与垂直于地面的转轴同轴。

2.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述第一框架(101)为直角支架，所述直角支架的一边安装在机器人上，另一边安装所述采集卡(2)和所述第二定位码盘(4)。

3.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述第二框架(102)通过轴承(8)连接垂直于地面的转轴，所述轴承(8)外设置有连接件(9)，所述第二框架(102)连接在所述连接件(9)上。

4.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述第二框架(102)上设置有弹性件(10)。

5.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述第一框架(101)安装在机器人的滚轮中心或驱动轮轴线中心。

6.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述第一定位码盘(3)为增量式编码器，所述第二定位码盘(4)为绝对值编码器。

7.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述定位轮(5)的边缘设置有橡胶外圈层。

8.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述定位轮(5)的数量为一个或一个以上。

9.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述采集卡(2)为STM32微控制采集处理卡。

10.根据权利要求1所述的双编码器机器人定位导航装置，其特征在于，所述采集卡(2)包括输入接口、输出接口、通讯接口和显示屏。