CN109974746B - 全向轮里程校准方法及机器人 - Google Patents

全向轮里程校准方法及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全向轮里程校准方法，包括：直线校准，所述全向轮通过直线运动进行校准；旋转校准，所述全向轮通过旋转运动进行校准；误差验证，所述全向轮通过沿预设的具有回路的轨迹运动对所述直线校准和旋转校准的结果进行误差验证；若所述误差验证的结果满足预设精度要求，则判定所述直线校准和旋转校准的校准成功。本发明解决了目前机器人领域缺少对于全向轮***里程校准方法的问题，提高了机器人的实际运行精度。

Description

全向轮里程校准方法及机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是一种全向轮里程校准方法及机器人。
背景技术
里程校准，是一种在轮式机器人导航时需要用轮子编码器进行积分运算并实时输出机器人当前的估计位置的方法。里程计的精确度受到多方面因素的影响，主要包括***误差和非***误差，***误差包括：轮子半径误差、轴对齐误差、轮子轴距误差、编码器采样率等；非***误差包括：接触面、障碍物、轮子打滑等。目前，双轮差速底盘主要使用1994年由J.Borenstein and L.Feng提出的UMBmark校准方法，该方法分析了两轮差速底盘的***误差和非***误差。请参阅图1，图1为UMBmark校准方法中双轮***的结构示意图，其中两个轮子中心轴距为B，轮子直径为D，两个轮子的内侧为一对电机，以底盘中心建立底盘右手坐标系。
UMBmark校准方法分析的差速底盘的***误差包括两种，左右轮子的比例误差和两个轮子之间的轴距误差，UMBmark校准方法为分别按顺时针方向和逆时针方向沿预设的正方形轨迹运动一周，计算出机器人起始点和终点位置差值，进而由此计算出左右轮子的比例误差因子和轮子之间的轴距误差因子，对两轮差速底盘进行校正。
然而全向轮与传统的双轮结构相比有明显的区别，全向轮能够沿不同的方向进行移动，且全向轮与地面接触时弹性形变较小，将全向轮应用于机器人时能极大的提升机器人的运动性能。但是目前对于全向轮，尚没有一种***的校准方法。
发明内容
本发明主要提供一种全向轮里程校准方法，用于解决现有技术中缺少全向轮里程校准方法的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种全向轮里程校准方法，包括以下步骤：直线校准，所述全向轮通过直线运动进行校准，所述全向轮为三轮***，所述直线校准的目标是所述轮子的直径，所述直线校准的步骤具体包括：所述全向轮于初始位置处旋转角度θ＝0且ΣΔU1,i＝-ΣΔU2,i，所述全向轮直线运动的里程L0表示为：
Figure GDA0002638488750000021
测量所述全向轮的起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x1,y1)，并依据下式对所述轮子直径D进行校准：
Figure GDA0002638488750000022
旋转校准，所述全向轮通过旋转运动进行校准，旋转校准的目标是所述轮子到所述三轮***中心的距离，所述旋转校准的步骤具体包括：测量所述三轮***旋转一段时间后的角度累计里程值θ，依据下式对所述轮子到所述三轮***中心距离L进行校准：
Figure GDA0002638488750000023
误差验证，所述全向轮通过沿预设的具有回路的轨迹运动对所述直线校准和旋转校准的结果进行误差验证，所述具有回路的轨迹为正方形轨迹，所述误差验证的步骤具体包括：所述全向轮分别按顺时针方向和逆时针方向沿预设的正方形轨迹运动一周，每运动一周测量所述三轮***中心的起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x4,y4)，依据下式对所述三轮***进行误差计算并对校准方法的精度进行判定：
x4＝x0-2Leα
y4＝y0+2Leα
其中，Le为长度偏差值，α为角度偏差值；若所述误差验证的结果满足预设精度要求，则判定所述直线校准和旋转校准的校准成功。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种机器人，所述机器人具有全向轮***，所述全向轮***在工作时执行所述全向轮里程校准方法。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种全向轮里程校准方法，解决了目前在机器人领域缺少对于全向轮***里程校准方法的问题，提高了全向轮***机器人的实际运行精度。
附图说明
图1是UMBmark校准方法中双轮***的结构示意图；
图2是本发明全向轮里程校准方法中三轮***的结构示意图；
图3是本发明全向轮里程校准方法一实施方式的流程示意图；
图4是本发明全向轮里程校准方法一实施方式的直线校准步骤示意图；
图5是本发明全向轮里程校准方法一实施方式的旋转校准步骤示意图；
图6是本发明全向轮里程校准方法一实施方式按顺时针方向运动时误差验证步骤的示意图；
图7是本发明全向轮里程校准方法一实施方式按逆时针方向运动时误差验证步骤的示意图。
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，均属于本发明保护的范围。
请参阅图2，图2是本发明全向轮里程校准方法中三轮***的结构示意图。在该模型结构中，全向轮为三轮***，三个轮子中心点的连线构成一个正三角形，该正三角形的中心即为三轮***中心，所需要校准的值包括轮子的直径D和轮子到三轮***中心的距离L，并以三轮***中心为原点建立右手直角坐标系，由所建立的模型得出全向轮里程的计算式为：
Figure GDA0002638488750000041
其中，θi为i时刻全向轮运转角度，Xi为i时刻全向轮在x轴方向坐标，Yi为i时刻全向轮在y轴方向坐标，θi-1为i-1时刻全向轮运转角度，Xi-1为i-1时刻全向轮在x轴方向坐标，Yi-1为i-1时刻全向轮在y轴方向坐标，L为轮子到三轮***中心距离，ΔU1,i,ΔU2,i,ΔU3,i分别表示i-1时刻到i时刻三个轮子的里程值，其中：
ΔU1,i＝CmN1,i
ΔU2,i＝CmN2,i
ΔU3,i＝CmN3,i
N1,i,N2,i,N3,i分别表示i-1时刻到i时刻三个轮子的运转圈数，Cm表示轮子里程系数其中：
Cm＝πD/nCe
其中，D为轮子直径，n为减速器减速比，Ce为编码器线数。
在其他实施方式中，所采用的全向轮***也可以是三轮以上的多轮***，其里程校准方法与三轮***的里程校准方法相似，在此不做赘述。
参阅图3，图3是本发明全向轮里程校准方法一实施方式的流程示意图，本实施方法全向轮里程校准方法的步骤如下：
S101：直线校准，全向轮通过直线运动进行校准。
本实施例中，直线校准的目标是轮子的直径D。
如图4所示，当全向轮处于初始位置时，其旋转角度θ＝0并且ΣΔU1,i＝-ΣΔU2,i，由此可以计算出该全向轮沿直线运动的里程L0为：
Figure GDA0002638488750000042
测量三轮***中心的起始坐标(x0,y0)和三轮***中心的终点坐标(x1,y1)，由于该全向轮沿直线运动的里程L0等同于起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x1,y1)之间的距离，故得出对轮子直径D进行校准的表达式：
Figure GDA0002638488750000051
本实施方式中直线校准过程可以采用多次测量求平均值的方法使所得轮子直径D的值更为精确。
S102：旋转校准，全向轮通过旋转运动进行校准。
本实施例中，旋转校准的目标是轮子到三轮***中心的距离L。
如图5所示，全向轮绕着三轮***的中心点执行旋转运动，此时只有角速度，没有线速度，且此时三个轮子转速一致，则三个轮子在相同时间内运行的里程值相等，即有ΣΔU1,i＝ΣΔU2,i＝ΣΔU3,i。
测量三轮***经过旋转一段时间后的角度累计里程值θ，依据下式对轮子到三轮***中心距离L进行校准：
Figure GDA0002638488750000052
本实施方式中旋转校准过程可以采用多次测量求平均值的方法使所得轮子到三轮***中心距离L的值更为精确。
S103：误差验证，全向轮通过沿预设的具有回路的轨迹运动对直线校准和旋转校准的结果进行误差验证。
请参阅图6和图7，图6是本发明全向轮里程校准方法一实施方式按顺时针方向运动时误差验证步骤的示意图，图7是本发明全向轮里程校准方法一实施方式按逆时针方向运动时误差验证步骤的示意图，全向轮按顺时针方向和逆时针方向沿预设的具有回路的轨迹均运动一周后认为执行了一次误差验证步骤，具体过程如下：
如图6所示，三轮***的起始位置位于坐标(x0,y0)，从起始坐标(x0,y0)开始按顺时针方向沿预设的正方形轨迹运动一周，依次经过点(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，最终到达终点坐标(x4,y4)，即完成了误差验证的顺时针方向行走过程。
三轮***按顺时针方向沿预设的正方形轨迹运动时，从起始坐标(x0,y0)到点(x1,y1)，点(x1,y1)到点(x2,y2)，点(x2,y2)到点(x3,y3)，点(x3,y3)到终点坐标(x4,y4)依次经历了四段运动过程，这四段过程满足下列关系：
x1＝x0+Le
y1＝y0
x2＝x1+Lesinα
y2＝y1+Lecosα
x3＝x2-Lecos2α
y3＝y2+Lesin2α
x4＝x3-Lesin3α
y4＝y3-Lecos3α
其中，Le表示长度偏差值，α表示角度偏差值。
消除中间参数可以得到关于起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x4,y4)之间的关系式：
x4＝x0+Le+Lesinα-Lecos2α-Lesin3α
y4＝y0+Lecosα+Lesin2α-Lecos3α
由于角度偏差值α足够小，可对上式进一步简化得到：
x4＝x0-2Leα
y4＝y0+2Leα
通过求解方程组得到三轮***按顺时针方向沿预设的正方形轨迹运动时的长度偏差值Le和角度偏差值α。
如图7所示，三轮***的起始位置位于坐标(x0,y0)，从起始坐标(x0,y0)开始按逆时针方向沿预设的正方形轨迹运动一周，依次经过点(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，最终到达终点坐标(x4,y4)，即完成了误差验证的逆时针方向行走过程。
三轮***按逆时针方向沿预设的正方形轨迹运动时，从起始坐标(x0,y0)到点(x1,y1)，点(x1,y1)到点(x2,y2)，点(x2,y2)到点(x3,y3)，点(x3,y3)到终点坐标(x4,y4)依次经历了四段运动过程，这四段过程满足下列关系：
x1＝x0+Le
y1＝y0
x2＝x1+Lesinα
y2＝y1-Lecosα
x3＝x2-Lecos2α
y3＝y2-Lesin2α
x4＝x3-Lesin3α
y4＝y3+Lecos3α
其中，Le表示长度偏差值，α表示角度偏差值。
消除中间参数可以得到关于起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x4,y4)之间的关系式：
x4＝x0+Le+Lesinα-Lecos2α-Lesin3α
y4＝y0-Lecosα-Lesin2α+Lecos3α
由于角度偏差值α足够小，可对上式进一步简化得到：
x4＝x0-2Leα
y4＝y0+2Leα
通过求解方程组得到三轮***按逆时针方向沿预设的正方形轨迹运动时的长度偏差值Le和角度偏差值α。
本实施方式中所采用的具有回路的轨迹为正方形轨迹，在其他实施方式中可以选用其他形状的具有回路的轨迹来进行误差验证，且轨迹长短也可以根据实际情况进行选择，在此不做赘述。
S104：若误差验证的结果满足预设精度要求，则判定直线校准和旋转校准的校准成功。
综合上述误差验证步骤中两次求解所得出的长度偏差值Le和角度偏差值α，与预设精度要求作对比判断，其中预设精度要求包括长度精度要求值N和角度精度要求值M，N和M的值可以根据实际情况进行选取，在此不作限定。
若长度偏差值Le小于或等于长度精度要求值N，且角度偏差值α小于或等于角度精度要求值M，即长度偏差值Le和角度偏差值α满足预设精度要求，则判定上述直线校准和旋转校准的校准成功；若长度偏差值Le大于长度精度要求值N，或角度偏差值α大于角度精度要求值M，即所得结果不满足预设精度要求，则重复执行步骤S101直线校准、步骤S102旋转校准和步骤S103误差验证，直到满足预设精度要求。
区别于现有技术的情况，本发明提供一种全向轮里程校准方法，解决了目前在机器人领域缺少对于全向轮***里程校准方法的问题，提高了全向轮***机器人的实际运行精度。
本发明还提供一种机器人，该机器人具有如图2所示的全向轮***，该全向轮***在工作时执行上述任一全向轮里程校准方法。该全向轮里程校准方法的具体步骤前述已详尽描述，此处不再赘述。
区别于现有技术的情况，本发明提供一种机器人，该机器人具有全向轮***，该全向轮***在工作时执行上述全向轮里程校准方法，解决了目前在机器人领域缺少对于全向轮***里程校准方法的问题，提高了全向轮***机器人的实际运行精度。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种全向轮里程校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
直线校准，所述全向轮通过直线运动进行校准，所述全向轮为三轮***，所述直线校准的目标是轮子的直径，所述直线校准的步骤具体包括：
所述全向轮于初始位置处旋转角度θ＝0且ΣΔU1,i＝-ΣΔU2,i，
所述全向轮直线运动的里程L0表示为：
Figure FDA0002667459400000011
测量所述全向轮的起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x1,y1)，并依据下式对所述轮子直径D进行校准：
Figure FDA0002667459400000012
旋转校准，所述全向轮通过旋转运动进行校准，旋转校准的目标是所述轮子到所述三轮***中心的距离，所述旋转校准的步骤具体包括：
测量所述三轮***旋转一段时间后的角度累计里程值θ，
依据下式对所述轮子到所述三轮***中心距离L进行校准：
Figure FDA0002667459400000013
误差验证，所述全向轮通过沿预设的具有回路的轨迹运动对所述直线校准和旋转校准的结果进行误差验证，所述具有回路的轨迹为正方形轨迹，所述误差验证的步骤具体包括：
所述全向轮分别按顺时针方向和逆时针方向沿预设的正方形轨迹运动一周，每运动一周测量所述三轮***中心的起始坐标(x0,y0)和终点坐标(x4,y4)，
依据下式对所述三轮***进行误差计算并对校准方法的精度进行判定：
x4＝x0-2Leα
y4＝y0+2Leα
其中，Le为长度偏差值，α为角度偏差值；
若所述误差验证的结果满足预设精度要求，则判定所述直线校准和旋转校准的校准成功。
2.根据权利要求1所述的全向轮里程校准方法，其特征在于，还包括以下步骤：若所述误差验证的结果不满足预设精度要求，则重复执行所述直线校准、所述旋转校准和所述误差验证的步骤，直到满足预设精度要求。
3.根据权利要求1所述的全向轮里程校准方法，其特征在于，所述全向轮里程的计算式为：
Figure FDA0002667459400000021
其中，θi为i时刻全向轮运转角度，Xi为i时刻全向轮在x轴方向坐标，Yi为i时刻全向轮在y轴方向坐标，θi-1为i-1时刻全向轮运转角度，Xi-1为i-1时刻全向轮在x轴方向坐标，Yi-1为i-1时刻全向轮在y轴方向坐标，L为轮子到三轮***中心距离，ΔU1,i,ΔU2,i,ΔU3,i分别表示i-1时刻到i时刻三个轮子的里程值，其中：
ΔU1,i＝CmN1,i
ΔU2,i＝CmN2,i
ΔU3,i＝CmN3,i
N1,i,N2,i,N3,i分别表示i-1时刻到i时刻三个轮子的运转圈数，Cm表示轮子里程系数：
Cm＝πD/nCe
其中，D为轮子直径，n为减速器减速比，Ce为编码器线数。
4.根据权利要求1所述的全向轮里程校准方法，其特征在于，所述直线校准过程通过多次校准取均值。
5.根据权利要求1所述的全向轮里程校准方法，其特征在于，所述旋转校准过程通过多次校准取均值。
6.一种机器人，所述机器人具有全向轮***，所述全向轮***在工作时执行权利要求1-5任一所述的全向轮里程校准方法。
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