一種移動機器人用定位裝置及定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種移動機器人用定位裝置，包括支架，支架上設(shè)有至少兩個全向輪，相鄰兩個全向輪旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為大于0°同時小于180°，優(yōu)選兩個正交的全向輪，每個全向輪相對支架可沿豎直方向滑動；定位裝置還包括能夠采集每個全向輪線速度的線速度采集裝置，能夠采集所述支架旋轉(zhuǎn)角度的角速度采集裝置，以及處理系統(tǒng)，線速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口、角速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口分別與處理系統(tǒng)通訊連接。該定位裝置直接可以固設(shè)在移動機器人底盤上任意位置，其確定的移動機器人位置，并不會因為移動機器人車輪打滑情況而產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，定位快速精確；適用于任意形式的移動機器人底盤結(jié)構(gòu)。
【專利說明】一種移動機器人用定位裝置及定位方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明涉及一種移動機器人定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種移動機器人用定位裝置及定 位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 移動機器人在人類生產(chǎn)、生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如各類競賽機器人、車間 搬運機器人、清潔機器人及各種服務(wù)機器人。移動機器人的定位系統(tǒng)是備受關(guān)注、富有挑戰(zhàn) 性的一個重要研究課題，所謂定位是要確定機器人在環(huán)境中的實時位姿。根據(jù)移動機器人 的底盤結(jié)構(gòu)主要包括以下移動機器人：履帶式、差動輪式、全向輪式。傳統(tǒng)的編碼器定位技 術(shù)是通過在各種移動機器人的底盤主動輪上安裝編碼器，以獲得輪子轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，進(jìn)而獲 得機器人相對于上一采樣時刻位置和姿態(tài)的改變量，通過位移量的累積就可估算機器人的 位置。但這種技術(shù)具有較大的局限性：由于編碼器安裝在主動輪上，以測電機轉(zhuǎn)速即主動 輪的轉(zhuǎn)數(shù)獲得數(shù)據(jù)來進(jìn)一步求解機器人所在的位置，但是，當(dāng)遇到崎嶇不平或者傾斜的路 面時，會改變機器人的加速度，因此受到慣性和地面摩擦阻力等因素影響，安裝有編碼器的 機器人主動輪在運動過程中常會出現(xiàn)打滑或測滑現(xiàn)象，在主動輪未發(fā)生運動變化下機器人 位置可能已經(jīng)發(fā)生變化的時候，所以該編碼器所測的數(shù)據(jù)會引起較大的機器人位置定位誤 差；同時，輪子越多，在將編碼器主動輪上時也會因為偏軸誤差，引起較大的定位誤差，嚴(yán)重 影響了移動機器人的定位精度和控制；當(dāng)然，在主動輪打滑時，機器人的從動輪雖然可能不 會打滑而保持原狀，但是，如果將編碼器安裝在從動輪上，一方面考慮從動輪的承重問題需 要改變從動輪與底盤的連接結(jié)構(gòu)，比較麻煩，二是從動輪本身也不具備減震功能，在遇到崎 嶇不平的路面時，從動輪也不能很好的適應(yīng)路面的情況而發(fā)生震動，也會產(chǎn)生較大的誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的傳統(tǒng)技術(shù)中將編碼器定位于移動機 器人的主動輪或從動輪上時，在遇到崎嶇不平或傾斜路面時，機器人在移動過程中發(fā)生打 滑或側(cè)滑，從而引起較大定位誤差的不足，提供一種移動機器人用定位裝置，本發(fā)明還提供 了該定位裝置的定位方法。
[0004] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案： 一種移動機器人用定位裝置，包括支架，所述支架上設(shè)有至少兩個全向輪，相鄰兩個所 述全向輪旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為大于0°同時小于180°，每個全向輪相對所述支架可沿堅 直方向滑動；所述定位裝置還包括能夠采集每個所述全向輪線速度的線速度采集裝置，能 夠采集所述支架旋轉(zhuǎn)角度的角速度采集裝置，以及處理系統(tǒng)，所述線速度采集裝置的數(shù)據(jù) 輸出接口、角速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口分別與所述處理系統(tǒng)通訊連接。
[0005] 該移動機器人用定位裝置包括至少兩個全向輪，相鄰兩個全向輪的夾角大于0° 且小于180°，定位裝置上的線速度采集裝置可以分別測得每個全向輪的變量，如線速度和 進(jìn)行軌跡增量，角速度采集裝置能夠采集定位裝置相對地面旋轉(zhuǎn)角度的增量，將原始數(shù)據(jù) 傳入處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)則可以計算出定位裝置的坐標(biāo)位置，如世界坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和 縱坐標(biāo)，以及旋轉(zhuǎn)角度；由于該定位裝置不需要設(shè)于移動機器人的主動輪或從動輪上使用， 而是直接可以固設(shè)在移動機器人底盤上，任意位置，所得到的定位裝置的坐標(biāo)即可相應(yīng)得 到整個移動機器人的位置，并不會因為在遇到崎嶇不平或傾斜路面時，主動輪打滑或側(cè)移 情況而對移動機器人定位產(chǎn)生影響，因為該定位裝置上的全向輪能夠相對支架沿堅直方向 滑動，能夠靈活適應(yīng)路面情況，起到減震作用，響應(yīng)迅速；由于該定位裝置是整體化裝于移 動機器人底盤上，能有效避免裝配后的偏軸誤差對定位的影響，其結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，定 位快速精確。
[0006] 優(yōu)選地，所述支架上設(shè)有兩個大小相同、相互垂直的全向輪。
[0007] 該支架上包括兩個大小相同、相互垂直的全向輪，相互垂直的意思是即兩個全向 輪的自轉(zhuǎn)軸相對垂直設(shè)置，每個全向輪不僅能夠沿進(jìn)行方向的滾動，還能沿垂直于每個全 向輪的行進(jìn)方向滑動，所以兩個全向輪的同時旋轉(zhuǎn)運動合成運動可以是沿其他任意方向的 運動，因此兩個相互垂直的全向輪已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)任意的方向的滾動或滑動。
[0008] 優(yōu)選地，所述支架上設(shè)有頂蓋，每個所述全向輪裝于輪架上，每個所述輪架與所述 頂蓋之間還設(shè)有伸縮部件，所述伸縮部件包括堅直連接在所述頂蓋、所述輪架之間的減震 軸，所述減震軸外套設(shè)有減震彈簧。
[0009] 由于現(xiàn)有移動機器人上的主動輪或從動輪一般都不具備減震功能，所以在遇到崎 嶇不平的路面時，移動機器人震動較大，影響其穩(wěn)定性；通過在每個全向輪的輪架和頂蓋上 設(shè)置伸縮部件，選用常見的減震軸和減震彈簧，在遇到崎嶇不平的路面時，該定位裝置能夠 根據(jù)路面的情況進(jìn)行伸縮，能始終與路面相接觸，并不會發(fā)生打滑現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了定位 裝置的定位準(zhǔn)確性，同時也能改進(jìn)移動機器人運動的平穩(wěn)性。
[0010] 優(yōu)選地，每個所述輪架上設(shè)有至少一個沿堅直方向的滑塊，所述支架上對應(yīng)設(shè)有 與所述滑塊適配的滑槽。
[0011] 兩個全向輪的輪架和支架分別均通過沿堅直方向的滑塊、滑槽配合，使連接在兩 個輪架和頂蓋之間設(shè)置的伸縮部件，始終保持在同一堅直方向伸縮，全向輪也不會發(fā)生徑 向滑動。
[0012] 優(yōu)選地，所述支架包括中間板以及垂直連接在所述中間板端部的側(cè)板一和側(cè)板 二，形成Z字形狀，兩個所述全向輪分別位于所述中間板兩側(cè)。
[0013] 該側(cè)板一、中間板、側(cè)板二還可以為一體成型體，能夠有效增加支架的結(jié)構(gòu)強度和 裝配的精準(zhǔn)度。
[0014] 優(yōu)選地，所述滑槽包括四個，其中兩個滑槽分別設(shè)在所述中間板兩側(cè)，另外兩個滑 槽分別設(shè)在所述側(cè)板一、側(cè)板二上，每個所述全向輪的輪架上對應(yīng)位置設(shè)有兩個滑塊與對 應(yīng)所述滑槽適配。
[0015] 每個輪架通過兩個滑塊與支架上的滑槽適配，兩個滑槽且相互垂直，不僅便于輪 架對準(zhǔn)支架安裝，還可以進(jìn)一步增加輪架在相對支架上下滑動時的穩(wěn)定性，不易發(fā)生擺動。
[0016] 優(yōu)選地，所述線速度采集裝置為分別設(shè)于每個所述全向輪輪軸上的增量式編碼 器，所述角速度采集裝置為陀螺儀。
[0017] 每個全向輪上的增量式編碼器都可以增量式光電編碼器，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，反應(yīng)靈 敏；而角速度采集裝置可以采用MEMS陀螺儀；另外相應(yīng)的處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理的 處理器平臺可以采用STM32系列微處理器。
[0018] 優(yōu)選地，所述支架底部還設(shè)有底蓋，所述底蓋相應(yīng)位置設(shè)有能夠穿過兩個所述全 向輪的開槽，所述支架、頂蓋、底蓋之間還設(shè)有封板，能夠?qū)⑺鋈蜉?、輪架、伸縮部件、線 速度采集裝置封裝；所述處理系統(tǒng)設(shè)于所述頂蓋表面，包括底板、處理器平臺和上殼，所述 上殼設(shè)有所述處理器平臺的數(shù)據(jù)傳輸接口。
[0019] 支架上設(shè)有底蓋和封板，其作用是可以遮擋和保護(hù)全向輪，能有效減少地面的雜 質(zhì)或灰塵進(jìn)入全向輪，防止全向輪被雜物纏繞卡死，增強該定位裝置的使用安全，也提高全 向輪的使用壽命。另外，同時也將線速度采集裝置、角速度采集裝置、處理器平臺封裝成一 體化模塊，只需要將模塊外殼設(shè)置一個數(shù)據(jù)傳輸接口，便能將定位裝置的位置信息傳輸?shù)?移動機器人主控裝置中，操作方便。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種移動機器人用定位裝置的定位方法，使用如上所述的移動機 器人用定位裝置，包括以下步驟： 步驟一、將所述定位裝置固設(shè)于移動機器人底盤下方，調(diào)整所述定位裝置的兩個全向 輪與移動機器人其他車輪為同一水平面； 步驟二、測量兩個全向輪分別相對于移動機器人車體中心的垂直距離Λ、Λ ; 步驟三、移動機器人運動，所述線速度采集裝置同時采集兩個全向輪的參數(shù)，分別獲得 單位時間內(nèi)每個全向輪的線速度G、κ2，所述角速度采集裝置采集所述定位裝置的參數(shù)，獲 得單位時間內(nèi)所述定位裝置的相對地面旋轉(zhuǎn)角度的增量《; 步驟四、將所述線速度采集裝置和角速度采集裝置所采集的參數(shù)傳輸至所述處理系 統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)輸出移動機器人的當(dāng)前位置參數(shù)，包括位于世界坐標(biāo)系Χ0Υ的平面坐標(biāo) 和旋轉(zhuǎn)角度0。
[0021] 優(yōu)選地，所述移動機器人的位于世界坐標(biāo)系Χ0Υ的當(dāng)前位置坐標(biāo)值〃根據(jù)以 下步驟得到： 步驟a、在水平面車體坐標(biāo)系I0J中，其中以車體中心為中心點0、0A方向位于移動機 器人進(jìn)行方向、0J方向為移動機器人行進(jìn)的垂直方向，通過所述線速度采集裝置獲得單位 時間內(nèi)每個全向輪的線速度匕、κ2，和所述角速度采集裝置獲得的單位時間內(nèi)所述定位裝置 的相對地面旋轉(zhuǎn)角度的增量》，以及結(jié)合兩個全向輪分別相對于移動機器人車體中心的垂 直距離之、/ 2,得到移動機器人在車體坐標(biāo)系I0J中沿I方向和J方向的瞬時速度G G.如 下：

【權(quán)利要求】
1. 一種移動機器人用定位裝置，包括支架（1)，其特征在于，所述支架（1)上設(shè)有至少 兩個全向輪（2)，相鄰兩個所述全向輪（2)旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為大于0°同時小于180°，每 個全向輪（2)相對所述支架（1)可沿堅直方向滑動；所述定位裝置還包括能夠采集每個所 述全向輪（2)線速度的線速度采集裝置，能夠采集所述支架（1)旋轉(zhuǎn)角度的角速度采集裝 置，以及處理系統(tǒng)（9)，所述線速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出接口、角速度采集裝置的數(shù)據(jù)輸出 接口分別與所述處理系統(tǒng)（9)通訊連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)上設(shè) 有兩個大小相同、相互垂直的全向輪（2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)上設(shè)有 頂蓋（5)，每個所述全向輪（2)裝于輪架（3)上，每個所述輪架（3)與所述頂蓋（5)之間還 設(shè)有伸縮部件（4)，所述伸縮部件（4)包括堅直連接在所述頂蓋（5)、所述輪架（3)之間的 減震軸（41)，所述減震軸（41)外套設(shè)有減震彈簧（42)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，每個所述輪架（3)上 設(shè)有至少一個沿堅直方向的滑塊（32)，所述支架（1)上對應(yīng)設(shè)有與所述滑塊（32)適配的滑 槽（14)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)包括中 間板（12)以及垂直連接在所述中間板（12)端部的側(cè)板一（11)和側(cè)板二（13)，形成Z字形 狀，兩個所述全向輪（2)分別位于所述中間板（12)兩側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，所述滑槽（14)包括 四個，其中兩個滑槽（14)分別設(shè)在所述中間板（12)兩側(cè)，另外兩個滑槽（14)分別設(shè)在所 述側(cè)板一（11)、側(cè)板二（13)上，每個所述全向輪（2)的輪架（3)上對應(yīng)位置設(shè)有兩個滑塊 (32)與對應(yīng)所述滑槽（14)適配。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2-6任一所述一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，所述線速度 采集裝置為分別設(shè)于每個所述全向輪（2)輪軸上的增量式編碼器（8)，所述角速度采集裝 置為陀螺儀（95)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種移動機器人用定位裝置，其特征在于，所述支架（1)底部還 設(shè)有底蓋（6)，所述底蓋（6)相應(yīng)位置設(shè)有能夠穿過兩個所述全向輪（2) (2)的開槽（62)， 所述支架（1)、頂蓋（5)、底蓋（6)之間還設(shè)有封板（7)，能夠?qū)⑺鋈蜉啠?)、輪架（3)、 伸縮部件（4)、線速度采集裝置封裝；所述處理系統(tǒng)（9)設(shè)于所述頂蓋（5)表面，包括底板 (93)、處理器平臺（92)和上殼（91)，所述上殼（91)設(shè)有所述處理器平臺（92)的數(shù)據(jù)傳輸 接口（96)。
9. 一種移動機器人用定位裝置的定位方法，使用如權(quán)利要求2所述的移動機器人用定 位裝置，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、將所述定位裝置固設(shè)于移動機器人底盤下方，調(diào)整所述定位裝置的兩個全向 輪（2)與移動機器人其他車輪為同一水平面； 步驟二、測量兩個全向輪（2)分別相對于移動機器人車體中心的垂直距離Λ、Λ ; 步驟三、移動機器人運動，所述線速度采集裝置同時采集兩個全向輪（2)的參數(shù)，分別 獲得單位時間內(nèi)每個全向輪（2)的線速度匕、匕，所述角速度采集裝置采集所述定位裝置的 參數(shù)，獲得單位時間內(nèi)所述定位裝置的相對地面旋轉(zhuǎn)角度的增量_ ; 步驟四、將所述線速度采集裝置和角速度采集裝置所采集的參數(shù)傳輸至所述處理系統(tǒng) (9)，所述處理系統(tǒng)（9)輸出移動機器人的當(dāng)前位置參數(shù)，包括位于世界坐標(biāo)系XOY的平面 坐標(biāo)^_7和旋轉(zhuǎn)角度0。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種移動機器人用定位裝置的定位方法，其特征在于，所述移 動機器人的位于世界坐標(biāo)系XOY的當(dāng)前位置坐標(biāo)值〃根據(jù)以下步驟得到： 步驟a、在水平面車體坐標(biāo)系IOJ中，其中以車體中心為中心點0、OA方向位于移動機 器人進(jìn)行方向、0J方向為移動機器人行進(jìn)的垂直方向，通過所述線速度采集裝置獲得單位 時間內(nèi)每個全向輪（2)的線速度匕、匕，和所述角速度采集裝置獲得的單位時間內(nèi)所述定位 裝置的相對地面旋轉(zhuǎn)角度的增量*，以及結(jié)合兩個全向輪（2)分別相對于移動機器人車體 中心的垂直距離Λ、Λ，得到移動機器人在車體坐標(biāo)系I0J中沿I方向和J方向的瞬時速度 G匕如下：
步驟b、將步驟a中的公式進(jìn)行積分，得到移動機器人在車體坐標(biāo)系I0J中單位時間內(nèi) 定位裝置在車體坐標(biāo)系I0J中的移動距離沿、心'如下：
步驟c、通過世界坐標(biāo)系Χ0Υ和車體坐標(biāo)系I0J中的換算，結(jié)合所述步驟a、步驟b的公 式，得到所述移動機器人的位于世界坐標(biāo)系Χ0Υ的當(dāng)前位置坐標(biāo)值z、_F、〃如下：
其中上述公式中的各個參數(shù)表示的含義如下： G、K2:分別為根據(jù)所述線速度采集裝置采集的信息獲得的兩個全向輪（2)的瞬時線速 度； 匕：分別為所述定位裝置在車體坐標(biāo)系I0J中沿I方向和J方向的瞬時速度； 、^分別為根據(jù)所述線速度采集裝置測得的在單位時間內(nèi)兩個全向輪（2)旋轉(zhuǎn)軌 跡的增量； β為所述角速度采集裝置測得的定位裝置在單位時間內(nèi)相對地面轉(zhuǎn)動角度的增量； Λ、Λ分別為兩個全向輪（2)與移動機器人車體中心的垂直距離； i/i、心·分別為單位時間內(nèi)定位裝置在車體坐標(biāo)系I0J中的移動距離。
【文檔編號】G01C21/10GK104089617SQ201410374749
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】駱德淵, 彭倍, 劉靜 申請人:四川阿泰因機器人智能裝備有限公司