CN109669350A - 一种三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法 - Google Patents

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Abstract

三轮全向移动机器人是一种重要的移动机器人体系结构，具有稳定性高、全向移动的优点。三轮全向移动机器人车轮的滑动影响定位与控制的精度，对其进行定量估计具有重要意义。本发明涉及一种基于编码器与激光雷达的三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法，其核心是融合编码器和激光雷达数据以及三轮全向移动机器人正逆运动学模型，估计车轮实际转动的移动。

Description

一种三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法
技术领域
本发明涉及一种三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法，具体地说，涉及一种基于编码器与激光雷达的三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法。
背景技术
三轮全向移动机器人是一种重要的移动机器人体系结构，具有稳定性高、全向移动的优点。三轮全向移动机器人车轮的滑动影响定位与控制的精度，对其进行定量估计具有重要意义。
现有技术提出了一种基于分类的移动机器人车轮打滑检测方法（参见：Chris C.Ward,Karl Iagnemma:《Classification-Based Wheel Slip Detection and DetectorFusion for Outdoor Mobile Robots》，2007 IEEE International Conference onRobotics and Automation, 2007年4月），该技术的主要不足是不能对车轮打滑进行定量估计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于编码器与激光雷达的 三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法。该发明的核心是融合编码器和激光雷达数据 以及三轮全向移动机器人正逆运动学模型，估计车轮实际转动的移动。
其具体技术方案为：
输入：M0,M1,,,,其中M0表示前一时刻的激光雷达测量，M1表示当前时刻的激光雷达测量，表示编码器测量的第一个轮子转动位移, 表示编码器测量的第二个轮子转动位移, 表示编码器测量的第三个轮子转动位移；
输出：S1,S2,S3，其中S1表示一个轮子滑动位移，S2表示第二个轮子滑动位移，S3表示第三个轮子滑动位移；
步骤1：根据, , ，利式（1）计算,,,（,）表示根据编码器测量以及机器人运动学模型计算出的机器人相对于前一时刻坐标系的位置，表示根据编码器测量以及机器人运动学模型计算出的机器人相对于前一时刻坐标系的方位；
（1）
其中，，
其中，表示前一时刻机器人的方位，R表示车轮半径，L 1表示机器人几何中心到第一个和第二个车轮的距离，L 2表示机器人几何中心到第三个车轮的距离，表示机器人几何中心到第一个轮子的线段与机器人坐标系X轴的夹角。
步骤2：计算H 0,T 0；H 0和T 0分别表示机器人相对于前一时刻坐标系的旋转矩阵和平移向量的初始估计；
（2）
（3）
步骤3：根据H 0,T 0, M0,M1,利用迭代最近点方法计算机器人相对于前一时刻坐标系的旋转矩阵H和平移向量T，
(H,T,d)=ICP（H 0,T 0, M0,M1,） （4）
其中，ICP代表迭代最近点方法，为匹配距离阈值，d为匹配精度；
步骤4：根据H,T由式(5)，式（6）和式（7）获得,,,（,）表示机器人当前位置相对于前一时刻坐标系的坐标，表示机器人当前时刻相对于前一时刻坐标系的方位；
（5）
（6）
（7）
其中，表示H的第二行第一列的元素，表示的T第一行第一列元素，表示T的第二行第一列的元素；
步骤5：根据,,计算, , ，表示第一个轮子实际的转动位移, 表示第二个轮子实际的转动位移, 表示第三个轮子实际的转动位移；
（8）
步骤6：计算车轮滑动
S1=- （9）
S2=- （10）
S3=- （11）
与现有技术相比，本发明的有益效果为：能定量地估计三轮全向移动机器人每个轮子的滑动位移。
附图说明
附图1为三轮全向移动机器人结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实例进一步阐述本发明。
本发明融合编码器和激光雷达数据以及三轮全向移动机器人正逆运动学模型，估计车轮实际转动的移动。三轮全向移动机器人如图1所示，其中O点为机器人几何中心，OXY为机器人坐标系。具体技术方案如下：
输入：M0,M1,, , ,其中M0表示前一时刻的激光雷达测量，M1表示当前时刻的激光雷达测量，表示编码器测量的第一个轮子转动位移, 表示编码器测量的第二个轮子转动位移, 表示编码器测量的第三个轮子转动位移；
输出：S1,S2,S3，其中S1表示一个轮子滑动位移，S2表示第二个轮子滑动位移，S3表示第三个轮子滑动位移；
步骤1：根据, , ，利式（1）计算,,,（,）表示根据编码器测量以及机器人运动学模型计算出的机器人相对于前一时刻坐标系的位置，表示根据编码器测量以及机器人运动学模型计算出的机器人相对于前一时刻坐标系的方位；
（1）
其中，，
其中，表示前一时刻机器人的方位，R表示车轮半径，L 1表示机器人几何中心到第一个和第二个车轮的距离，L 2表示机器人几何中心到第三个车轮的距离，表示机器人几何中心到第一个轮子的线段与机器人坐标系X轴的夹角。
步骤2：计算H 0,T 0；H 0和T 0分别表示机器人相对于前一时刻坐标系的旋转矩阵和平移向量的初始估计；
（2）
（3）
步骤3：根据H 0,T 0, M0,M1,利用迭代最近点方法计算机器人相对于前一时刻坐标系的旋转矩阵H和平移向量T，
(H,T,d)=ICP（H 0,T 0, M0,M1,） （4）
其中，ICP代表迭代最近点方法，为匹配距离阈值，d为匹配精度；
步骤4：根据H,T由式(5)，式（6）和式（7）获得,,,（,）表示机器人当前位置相对于前一时刻坐标系的坐标，表示机器人当前时刻相对于前一时刻坐标系的方位；
（5）
（6）
（7）
其中，表示H的第一行第一列的元素，表示的T第一行第一列元素，表示T的第二行第一列的元素；
步骤5：根据,,计算, , ，表示第一个轮子实际的转动位移, 表示第二个轮子实际的转动位移, 表示第三个轮子实际的转动位移；
（8）
步骤6：计算车轮滑动
S1=- （9）
S2=- （10）
S3=- （11）
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于编码器与激光雷达的三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法，其具体技术方案为：
输入：M0,M1,,,,其中M0表示前一时刻的激光雷达测量，M1表示当前时刻的激光 雷达测量，表示编码器测量的第一个轮子转动位移, 表示编码器测量的第二个轮子 转动位移, 表示编码器测量的第三个轮子转动位移；
输出：S1,S2,S3，其中S1表示一个轮子滑动位移，S2表示第二个轮子滑动位移，S3表示第三个轮子滑动位移；
步骤1：根据,,，利式（1）计算,,,（,）表示根据编码器测量以及机 器人运动学模型计算出的机器人相对于前一时刻坐标系的位置，表示根据编码器测量以 及机器人运动学模型计算出的机器人相对于前一时刻坐标系的方位；
（1）
其中，，
其中，表示前一时刻机器人的方位，R表示车轮半径，L 1表示机器人几何中心到第一个 和第二个车轮的距离，L 2表示机器人几何中心到第三个车轮的距离，表示机器人几何中 心到第一个轮子的线段与机器人坐标系X轴的夹角；
步骤2：计算H 0,T 0；H 0和T 0分别表示机器人相对于前一时刻坐标系的旋转矩阵和平移向量的初始估计；
（2）
（3）
步骤3：根据H 0,T 0, M0,M1,利用迭代最近点方法计算机器人相对于前一时刻坐标系的旋转矩阵H和平移向量T，
(H,T,d)=ICP（H 0,T 0, M0,M1,） （4）
其中，ICP代表迭代最近点方法，为匹配距离阈值，d为匹配精度；
步骤4：根据H,T由式(5)，式（6）和式（7）获得,,,（,）表示机器人当前位置相 对于前一时刻坐标系的坐标，表示机器人当前时刻相对于前一时刻坐标系的方位；
（5）
（6）
（7）
其中，表示H的第二行第一列的元素，表示的T第一行第一列元素，表示T的第 二行第一列的元素；
步骤5：根据,,计算, , ，表示第一个轮子实际的转动位移, 表示第 二个轮子实际的转动位移, 表示第三个轮子实际的转动位移；
（8）
步骤6：计算车轮滑动
S1=- （9）
S2=- （10）
S3=- （11）。
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