CN114932951B - 机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法及***，校准方法包括以下步骤：S1、获取底盘起始运动前的航向角和里程值；S2、设置转向电机的输出角度和底盘线速度；S3、获取底盘运动停止后的航向角和里程值；S4、计算底盘运动的转弯半径；S5、计算底盘的等效转向角度；S6、重复S1至S5，并根据转向电机的不同的输出角度，得到底盘对应的等效转向角度，并将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化。本发明的校准方法，利用机器人底盘实现测量，不用去动态的观察测量值。并通过数据图形化，得到输出角度和等效转向角度的关系，实现机器人底盘前轮等效转向角度的测量和校准，操作简便，且校准效率和精度高。

Description

机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法及***

技术领域

本发明涉及机器人校准技术领域，更具体地，涉及一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法及***。

背景技术

由于机械设计公差等因数影响，阿克曼底盘转向结构驱动前轮按某个角度转向时，等效的转向角度可能并不等于底盘转向结构转向的角度，所以，需要进行测量并获得等效转向角度，找出电机输出角度和等效转向角度的关系，然后在底盘的实际使用过程中，根据它们的关系进行底盘的控制，以提高底盘的运动控制精度。

现有技术中通过设定一个目标底盘角速度，在运动过程中改变底盘的圆周运动半径，也即改变前轮转向角度，直至测得的底盘角速度等于设定的目标底盘角速度。重复前述步骤，可得到一系列前轮转向角度与等效转向角度数据，然后进行数据拟合，得到前轮转向角度与等效转向角度数据的函数关系。

现有技术中的机器人底盘的等效转向的校准方法，需要不断改变底盘的圆周运动半径，整个过程操作繁琐，需要动态观察测量值，并且无法将测量数据图形化，校准的效率和精度较差。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法及***的新技术方案，至少能够解决现有技术中的校准方法操作繁琐以及无法将测量数据图形化等问题。

本发明的第一方面，提供了一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，包括以下步骤：

S1、获取底盘起始运动前的航向角和里程值；

S2、设置转向电机的输出角度和底盘线速度；

S3、获取所述底盘运动停止后的航向角和里程值；

S4、计算所述底盘运动的转弯半径；

S5、计算所述底盘的等效转向角度；

S6、重复S1至S5，并根据所述转向电机的不同的输出角度，得到所述底盘对应的等效转向角度，并将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化，实现机器人底盘前轮等效转向角度的测量和校准。

可选地，在设置转向电机的输出角度和底盘线速度的步骤中，所述底盘线速度设置为匀速，所述底盘线速度的速度值为0.05-0.15m/s。

可选地，所述底盘以圆弧形路线运动，所述底盘运动的圆弧形长度为：

s＝mile_e－mile_s

其中，s为所述底盘运动的圆弧形长度，mile_e为所述底盘运动停止后的里程值，mile_s为所述底盘起始运动前的里程值。

可选地，所述底盘运动的航向角的变化量为：

a＝yaw_e－yaw_s

其中，a为所述底盘运动的航向角的变化量，yaw_e为所述底盘运动停止后的航向角，yaw_s为所述底盘起始运动前的航向角。

可选地，所述底盘以圆弧形路线运动过程中的圆弧路线半径为：

r＝s/a

其中，r为所述底盘运动的圆弧路线半径，s为所述底盘运动的圆弧形长度，a为所述底盘运动的航向角的变化量。

可选地，计算所述底盘的等效转向角度的公式为：

β＝arctan(L/r)

其中，β为所述底盘的等效转向角度，L为所述底盘的前后轴距，r为所述底盘运动的圆弧路线半径。

可选地，将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化的步骤包括：将输出角度和等效转向角度进行线性拟合、多项式拟合或指数拟合，得到对应的表达式。

可选地，将输出角度和等效转向角度进行线性拟合得到的表达式为：

θ＝(β－b)/k

其中，θ为所述转向电机的输出角度，β为所述底盘的等效转向角度，k、b分别为通过拟合得到比例系数和常数。

本发明的第二方面，提供一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准***，应用于上述实施例中所述的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，所述校准***包括：

第一获取模块，所述第一获取模块用于获取底盘起始运动前的航向角和里程值；

设置模块，所述设置模块与所述第一获取模块连接，所述设置模块用于设置转向电机的输出角度和底盘线速度；

第二获取模块，所述第二获取模块与所述设置模块连接，所述第二获取模块用于获取所述底盘运动停止后的航向角和里程值；

计算模块，所述计算模块与所述第二获取模块连接，所述计算模块用于计算所述底盘运动的转弯半径和等效转向角度；

数据拟合模块，所述数据拟合模块与计算模块连接，所述数据拟合模块用于拟合输出角度和等效转向角度的关系。

本发明的第二方面，提供一种机器人，包括上述实施例中所述的机器人底盘前轮等效转向角度的校准***。

本发明的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，根据转向电机输出的输出角度，得到等效转向角度，利用机器人底盘实现测量，不用去动态的观察测量值。并通过数据图形化，得到输出角度和等效转向角度的关系，实现机器人底盘前轮等效转向角度的测量和校准，操作简便，且校准效率和精度高。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明实施例的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的机器人底盘的运动轨迹图；

图3是根据本发明实施例的机器人底盘的等效模型图；

图4是根据本发明实施例的机器人底盘的数据拟合图；

图5是根据本发明实施例的机器人底盘前轮等效转向角度的校准***的原理图。

附图标记

底盘 10；

第一获取模块 20；

设置模块 30；

第二获取模块 40；

计算模块 50；

数据拟合模块 60。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的机器人底盘10前轮等效转向角度的校准方法。

如图1所示，根据本发明实施例的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，包括以下步骤：

S1、获取底盘10起始运动前的航向角和里程值；

S2、设置转向电机的输出角度和底盘10线速度；

S3、获取底盘10运动停止后的航向角和里程值；

S4、计算底盘10运动的转弯半径；

S5、计算底盘10的等效转向角度；

S6、重复S1至S5，并根据转向电机的不同的输出角度，得到底盘10对应的等效转向角度，并将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化，实现机器人底盘前轮等效转向角度的测量和校准。

换言之，参见图1，在本发明实施例的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法中，需要获取转向电机的输出角度和等效转向角度的关系，其中，首先，可以获取底盘10起始运动前的航向角(yaw_s)和里程值(mile_s)。底盘10运动前，可以通过上位机，通读取IMU(Inertial Measurement Unit的缩写，惯性测量单元)数据以及驱动器反馈的数据，获得底盘10的航向角yaw_s，以及里程值mile_s。然后，设置转向电机的输出角度和底盘10线速度，获取底盘10运动停止后的航向角和里程值。底盘10停止运动后，通过上位机，读取IMU数据以及驱动器反馈的数据，获得底盘10的航向角yaw_e，以及里程值mile_e。接着，计算底盘10运动的转弯半径和底盘10的等效转向角度。通过重复S1至S5，并根据转向电机的不同的输出角度，得到底盘10对应的等效转向角度，并将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化，实现机器人底盘10前轮等效转向角度的测量和校准。

由此，根据本发明实施例的机器人底盘10前轮等效转向角度的校准方法，根据转向电机输出的输出角度，得到等效转向角度，利用机器人底盘10实现测量，不用去动态的观察测量值。并通过数据图形化，得到输出角度和等效转向角度的关系，实现机器人底盘10前轮等效转向角度的测量和校准，操作简便，且校准效率和精度高。

根据本发明的一个实施例，在设置转向电机的输出角度和底盘10线速度的步骤中，底盘10线速度设置为匀速，底盘10线速度的速度值为0.05-0.15m/s。

假设转向电机的输出角度θ的可取值范围为-Ang～+Ang。通过上位机，从不小于-Ang的整数开始，给底盘10设置一个-Ang～+Ang范围内的θ，及一个固定的线速度v＝0.1m/s，使得底盘10行走一段圆弧形的路线。

在本发明的一些具体实施方式中，底盘10以圆弧形路线运动，底盘10运动的圆弧形长度为：

s＝mile_e－mile_s

其中，s为底盘10运动的圆弧形长度，mile_e为底盘10运动停止后的里程值，mile_s为底盘10起始运动前的里程值。

底盘10运动的航向角的变化量为：

a＝yaw_e－yaw_s

其中，a为底盘10运动的航向角的变化量，yaw_e为底盘10运动停止后的航向角，yaw_s为底盘10起始运动前的航向角。

如图2和图3所示，底盘10以圆弧形路线运动过程中的圆弧路线半径为：

r＝s/a，即r＝(mile_e－mile_s)/(yaw_e－yaw_s)

其中，r为底盘10运动的圆弧路线半径，s为底盘10运动的圆弧形长度，a为底盘10运动的航向角的变化量。

然后，计算底盘10的等效转向角度的公式为：

β＝arctan(L/r)，即β＝arctan(L*(yaw_e－yaw_s)/(mile_e－mile_s))

其中，β为底盘10的等效转向角度，L为底盘10的前后轴距，r为底盘10运动的圆弧路线半径。

根据本发明的一个实施例，将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化的步骤包括：将输出角度和等效转向角度进行线性拟合、多项式拟合或指数拟合，得到对应的表达式。

通过重复S1～S5，θ每次加一个固定的整数值，例如加1，直至θ达到不超过+Ang的最大整数。最后，将转向电机的输出角度θ，及其对应的底盘10等效转向角度β，通过图表分析θ、β关系的特点，可进行线性拟合、多项式拟合或指数拟合，得到相应类型的表达式。

在本发明中，将输出角度和等效转向角度进行线性拟合得到的表达式为：

θ＝(β－b)/k

其中，θ为转向电机的输出角度，β为底盘10的等效转向角度，k、b分别为通过拟合得到比例系数和常数。

如图4所示，示例θ和β的关系为线性关系，k、b分别为通过拟合得到比例系数和常数。在实际底盘控制应用中，底盘10转向的输出角度按θ＝(β－b)/k的表达式进行转换。

在本发明中，根据转向电机输出给定的角度，求等效转向角度。通过图形化转向电机角度和等效转向角度的关系，确定数据曲线拟合的类型，获得它们的关系表达式。其操作更方便，用基本的底盘10即可实现测量，不用去动态的观察测量值。将数据图形化，有助于选择更合适的数据拟合类型。

总而言之，根据本发明实施例的机器人底盘10前轮等效转向角度的校准方法，根据转向电机输出的输出角度，得到等效转向角度，利用机器人底盘10实现测量，不用去动态的观察测量值。并通过数据图形化，得到输出角度和等效转向角度的关系，实现机器人底盘10前轮等效转向角度的测量和校准，操作简便，且校准效率和精度高。

根据本发明的第二方面，如图5所示，提供一种机器人底盘10前轮等效转向角度的校准***，应用于上述实施例中的机器人底盘10前轮等效转向角度的校准方法，校准***包括第一获取模块20、设置模块30、第二获取模块40、计算模块50和数据拟合模块60。

其中，参见图5，第一获取模块20用于获取底盘10起始运动前的航向角和里程值。设置模块30与第一获取模块20连接，设置模块30用于设置转向电机的输出角度和底盘10线速度。第二获取模块40与设置模块30连接，第二获取模块40用于获取底盘10运动停止后的航向角和里程值。计算模块50与第二获取模块40连接，计算模块50用于计算底盘10运动的转弯半径和等效转向角度。数据拟合模块60与计算模块50连接，数据拟合模块60用于拟合输出角度和等效转向角度的关系。

在本发明中，如图5所示，第一获取模块20和第二获取模块40可以为上位机，可以通过上位机，通读取IMU(Inertial Measurement Unit的缩写，惯性测量单元)数据以及驱动器反馈的数据，获得底盘10的航向角yaw_s，以及里程值mile_s。然后，设置转向电机的输出角度和底盘10线速度，获取底盘10运动停止后的航向角和里程值。底盘10停止运动后，通过上位机，读取IMU数据以及驱动器反馈的数据，获得底盘10的航向角yaw_e，以及里程值mile_e。通过第一计算模块50和第二计算模块50计算底盘10运动的转弯半径和底盘10的等效转向角度。通过重复S1至S5，并根据转向电机的不同的输出角度，得到底盘10对应的等效转向角度，并通过数据拟合模块60将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化，实现机器人底盘10前轮等效转向角度的测量和校准。

根据本发明实施例的机器人底盘10前轮等效转向角度的校准***，根据转向电机输出的输出角度，得到等效转向角度，利用机器人底盘10实现测量，不用去动态的观察测量值。并通过数据图形化，得到输出角度和等效转向角度的关系，实现机器人底盘10前轮等效转向角度的测量和校准，操作简便，且校准效率和精度高。

当然，校准***中还包括控制器、后桥电机、后桥驱动器、转向电机、转向驱动器、IMU等结构，上位机用于底盘10控制及数据交换，IMU用于获取底盘10姿态信息，驱动器及电机用于底盘10的运动和转向控制。其中，控制器、后桥电机、后桥驱动器、转向电机、转向驱动器、IMU等的工作原理和具体结构是本领域技术人员能够理解并且能够实现的，在本发明中不再详细赘述。

根据本发明的第三方面，提供一种机器人，包括上述实施例中的机器人底盘10前轮等效转向角度的校准***。本发明的机器人可以是阿克曼模型机器人。由于根据本发明实施例的校准***具有上述技术效果，因此，根据本发明实施例的机器人也具有相应的技术效果，即本发明的机器人，能够实现机器人底盘10前轮等效转向角度的测量和校准，操作简便，且校准效率和精度高。

当然，对于本领域技术人员来说，机器人的其他结构及其工作原理是可以理解并且能够实现的，在本发明中不再详细赘述。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取底盘起始运动前的航向角和里程值；

S2、设置转向电机的输出角度和底盘线速度；

S3、获取所述底盘运动停止后的航向角和里程值；

S4、计算所述底盘运动的转弯半径；

S5、计算所述底盘的等效转向角度；

S6、重复S1至S5，并根据所述转向电机的不同的输出角度，得到所述底盘对应的等效转向角度，并将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化，实现机器人底盘前轮等效转向角度的测量和校准；

所述底盘以圆弧形路线运动，所述底盘运动的圆弧形长度为：

s＝mile_e－mile_s

其中，s为所述底盘运动的圆弧形长度，mile_e为所述底盘运动停止后的里程值，mile_s为所述底盘起始运动前的里程值；

所述底盘运动的航向角的变化量为：

a＝yaw_e－yaw_s

其中，a为所述底盘运动的航向角的变化量，yaw_e为所述底盘运动停止后的航向角，yaw_s为所述底盘起始运动前的航向角；

所述底盘以圆弧形路线运动过程中的圆弧路线半径为：

r＝s/a

其中，r为所述底盘运动的圆弧路线半径，s为所述底盘运动的圆弧形长度，a为所述底盘运动的航向角的变化量；

所述计算所述底盘的等效转向角度的公式为：

β＝arctan(L/r)

其中，β为所述底盘的等效转向角度，L为所述底盘的前后轴距，r为所述底盘运动的圆弧路线半径；

所述将输出角度和等效转向角度的关系进行数据图形化的步骤包括：将输出角度和等效转向角度进行线性拟合、多项式拟合或指数拟合，得到对应的表达式；

所述将输出角度和等效转向角度进行线性拟合得到的表达式为：

θ＝(β－b)/k

其中，θ为所述转向电机的输出角度，β为所述底盘的等效转向角度，k、b分别为通过拟合得到比例系数和常数。

2.根据权利要求1所述的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，其特征在于，在设置转向电机的输出角度和底盘线速度的步骤中，所述底盘线速度设置为匀速，所述底盘线速度的速度值为0.05-0.15m/s。

3.一种机器人底盘前轮等效转向角度的校准***，应用于权利要求1-2中任一项所述的机器人底盘前轮等效转向角度的校准方法，其特征在于，所述校准***包括：

第一获取模块，所述第一获取模块用于获取底盘起始运动前的航向角和里程值；

设置模块，所述设置模块与所述第一获取模块连接，所述设置模块用于设置转向电机的输出角度和底盘线速度；

第二获取模块，所述第二获取模块与所述设置模块连接，所述第二获取模块用于获取所述底盘运动停止后的航向角和里程值；

计算模块，所述计算模块与所述第二获取模块连接，所述计算模块用于计算所述底盘运动的转弯半径和等效转向角度；

数据拟合模块，所述数据拟合模块与计算模块连接，所述数据拟合模块用于拟合输出角度和等效转向角度的关系。

4.一种机器人，其特征在于，包括权利要求3所述的机器人底盘前轮等效转向角度的校准***。