浅谈全向轮机器人三位一体定位方法

浅谈全向轮机器人三位一体定位方法

摘要：在亚太机器人国内选拔赛中，各大高校制作的机器人都是全向轮机器人，基于全向轮定位使用最多的是码盘定位。但码盘行走存在误差，适合于短距离的移动。对于长距离的行走，误差比较大。因此，文章提供一种新式的定位方法，即码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方法。码盘计算机器人行走距离，陀螺仪给出机器人当前姿态角，激光雷达用于辅助定位。

关键词：全向轮；码盘；陀螺仪；激光雷达

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比赛中，轮式机器人车轮一般都选用全向轮。基于全向轮的底盘定位大多是码盘定位。机器人在行走的过程中有平动，也有转动，仅靠码盘来定位存在很大的误差，定位和姿态角计算也比较困难。因此，本文提供一种新式的定位方法。

1 码盘-编码器

码盘其实是一种全向轮，可以实现任意方向上的行走。编码器主要用于测量机器人走过的路程和当前的速度。综合考虑，我们选增量式编码器。增量式编码器每转一圈会输出

固定的脉冲，脉冲数由光栅的分辨率和倍频决定，可以实现多圈无限累加计数。

2 陀螺仪

用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交

于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置称为陀螺仪。主要用于检测角位移和角速度，具有很高的灵敏度。陀螺仪存在误差，所以使用前需要校正。陀螺仪的线性误差可以通过实验测量测出。即把陀螺仪放在旋转平台上一定角度，观测其返回的值，判断是否有误差。若有误差，则可以多次测量进行线性补偿。

3 激光雷达

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。工作原理：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，目标进行探测、识别。利用激光雷达的这个原理，可以用它发出激光束扫射场地上固定位置的物体，通过返回来的激光束来测量机器人到固定位置物体距离，从而得出机器人在场地上的坐标。

4 定位算法

本定位方案采用双码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位

方式。两个码盘安装在相互垂直的两个方向上，用于测量机器人沿这两个方向的位移。陀螺仪用于测量机器人行走时的角位移。由于码盘长距离行走存在较大的误差，当机器人到达预定位置附近（主要是码盘定位不准）时，激光雷达用于辅助定位。在程序中设定采样周期是5ms，每5ms读取一次码盘和陀螺仪数据。因为5ms内机器位移和角度变化量很小，可以近似用直线来处理。

如图1所示，两个码盘相互垂直放置，设码盘1的线速度为V1，码盘中心与自身坐标系X轴的方向夹角为α；设码盘2的线速度为V2，与码盘1的夹角为β；自转的角速度为w；θ为自身坐标系和世界坐标系的夹角，θ=机器人初始角+陀螺仪测得转过角度。L1、L2分别为码盘1、2到自身坐标系中心的距离。则（V1，V2，w）T与（VX，VY，ω）T关系见式（1）。

（1）

（2）

以机器人初始点中心0为参考点建立世界坐标系X0Y，取广义坐标为q=（）T，其中（x，y）是机器人中心O在世界坐标系中的坐标。则世界坐标系和机器人自身坐标系之间关系见式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms读取一次码盘脉冲数和陀螺仪数据，得出码盘速度V1、V2和机器人角速度ω，得出机器人在世界坐标系下的速度（），得出机器人在世界坐标系下的位移增量。把每次采样的位移增量加起来就可以得出机器人的世界坐标。

由于码盘定位不是特别准确，因此在机器人到达码盘行走预定位置时，激光雷达通过扫描场地周围物体来获知机器人的具体位置，反馈给控制器，控制器调整机器人坐标，使机器人移动到达正确位置。

5 结语

目前使用单码盘定位精度比较低，而且行走比较难控制，难以完成复杂路线的行走。码盘-陀螺仪-激光雷达定位方式可以到达较高的精度，而且能够实现复杂路线的行走。同时在实践中我们也发现，陀螺仪存在漂移，使得定位有时不是很准。因此在使用陀螺仪时应该特别注意这点。

参考文献

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[2] 曹其新，张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[3] 程宝山.万向轮定位技术[J].机器人应用与技术，2009.

[4] 王立权.机器人创新设计与制作[M].北京：清华大学

出版社，2006.

作者简介：唐松（1992―），男，江西宜春人，武汉大学学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。