一种轮式机器人防滑爬坡控制方法与流程

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种轮式机器人防滑爬坡控制方法。


背景技术：

2.随着我国经济迅速发展，机器人参与生产和人民生活的程度越来越深。移动机器人被广泛应用于物流搬运、分拣、无人泊车、安防巡逻、服务等领域中。应用场景日益更新，复杂程序也随之增加，轮式机器人以其支撑平稳、运动灵活等优势得到广泛应用。室内应用场景地面的坡度较小、平整度较好，轮式机器人爬坡可以轻松度过，但室外应用场景中受区域地势和路况的影响，道路的坡度和平整度均对轮式机器人的运动有影响，严重时出现溜坡，造成人员和财产损失。
3.现有技术中有采用轮腿式自动导引小车，选用前肘后膝-踝关节式的构型设计方案，来适应硬质平坦地面的爬坡。这种结构方式虽然能够实现爬坡，但是结构复杂，对室外不平整地面的环境适应性差。现有技术还有通过控制双轴电机带动移动齿轮在齿轮轨道上转动，带动活动防滑组移出滑动通道至轮胎本体下方与地面之间的夹角内，弹簧减震组带动顶支撑防滑板和防滑软套身长，防滑软套顶部与轮胎本体接触，底摩擦砂板与地面接触，使得轮胎本体不会滑坡。现有技术还采用有突起块的履带，增加对地面的抓地力，增加爬坡时的摩擦力防止机器人滑坡。后两种方式需要增加装置，对现有的轮组进行改造，运动过程中会产生抖动，影响运动稳定性，且不适用于麦克纳姆轮机器人。
4.如何实现轮式机器人在较大坡度，以及不平整路面的防滑爬坡控制，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种轮式机器人防滑爬坡控制方法，实现轮式机器人的路径跟踪和防滑爬坡控制。该方法不需要人工干预，亦不须改变轮组结构或安装防滑铰链，自主性强、容易实现，适用于实际的工程应用。
6.本发明实施例提供了一种轮式机器人防滑爬坡控制方法，包括：
7.根据轮式机器人的当前方位信息，确定行驶的路径方向；
8.根据所述路径方向更新所述当前方位信息，并获取所述轮式机器人所处道路的坡道角度，以及所述轮式机器人的横滚角；
9.根据所述坡道角度和所述横滚角与各自对应阈值的比较结果，确定所述轮式机器人的防滑爬坡控制策略，并根据所述防滑爬坡控制策略控制所述轮式机器人的行驶状态。
10.进一步地，所述根据所述坡道角度和所述横滚角与各自对应阈值的比较结果，确定所述轮式机器人的防滑爬坡控制策略，包括：
11.若所述坡道角度小于坡道角度阈值，且所述横滚角小于横滚角阈值，则确定所述防滑爬坡控制策略为模糊控制策略；
12.若所述坡道角度大于等于坡道角度阈值，且所述横滚角小于等于横滚角阈值，则
确定所述防滑爬坡控制策略为控制所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致，且控制所述轮式机器人的速度方向与路径方向一致的控制策略；
13.若所述坡道角度小于坡道角度阈值，且所述横滚角大于等于横滚角阈值；则确定所述防滑爬坡控制策略为根据所述轮式机器人是否能够进行横向移动的判断结果，再进行判断的控制策略；
14.若所述坡道角度大于等于坡道角度阈值，且所述横滚角大于横滚角阈值，则确定所述防滑爬坡控制策略为不采用任何控制策略。
15.进一步地，所述根据所述轮式机器人是否能够进行横向移动的判断结果，再进行判断的控制策略，包括：
16.若所述判断结果为所述轮式机器人能够进行横向移动，则确定所述防滑爬坡控制策略为控制所述轮式机器人进行横向移动的控制策略；
17.若所述判断结果为所述轮式机器人不能够进行横向移动，则确定所述防滑爬坡控制策略为模糊控制策略。
18.进一步地，所述控制所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致，且控制所述轮式机器人的速度方向与路径方向一致的控制策略，通过如下公式实现：
[0019][0020][0021]
α＝(angle
i-1,i-yaw)*pi/180
[0022]
其中，angle
i-1,i
为路径点i-1至路径点i的路径方向角，yaw为所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致时的航向角，α为所述轮式机器人的合成速度与车头方向的夹角，v
x
,vy,v分别为所述轮式机器人的横向速度、纵向速度和合成速度、pi为π。
[0023]
进一步地，所述轮式机器人防滑爬坡控制方法还包括：
[0024]
若所述坡道角度大于等于坡道角度阈值，且所述横滚角大于横滚角阈值，则控制所述轮式机器人进行原地旋转，以使得按照预设幅度值不断调小所述横滚角，直到所述横滚角小于等于横滚角阈值。
[0025]
进一步地，所述根据轮式机器人的当前方位信息，确定行驶的路径方向，包括：
[0026]
根据轮式机器人的当前方位信息，获取规划路径点集，并根据所述规划路径点集，确定行驶的路径方向；
[0027]
所述当前方位信息包括位置和航向；相应的，所述根据轮式机器人的当前方位信息，获取规划路径点集，包括：
[0028]
根据所述位置和所述航向，接收调度系统发送的在所述位置之前的n个连续路径点的经纬度坐标，并确定所述n个连续路径点的经纬度坐标为所述规划路径点集；n为大于等于2的整数。
[0029]
进一步地，所述根据所述规划路径点集，确定行驶的路径方向，包括：
[0030]
根据如下公式计算所述路径方向：
[0031]
[0032]
angle
i-1,i
＝(180/pi)*arctan2(y,x)
[0033][0034]
其中，angle
i-1,i
为第i-1个路径点到第i个路径点之间的路径方向角、x和y分别为第i-1个路径点到第i个路径点之间的距离长度值在x轴方向上的分量值和在y轴方向上的分量值、pi为π、lngi为第i个路径点的经度、lati为第i个路径点的纬度。
[0035]
进一步地，所述获取所述轮式机器人所处道路的坡道角度，包括：
[0036]
根据如下公式计算所述坡道角度：
[0037][0038]
其中，θ为所述坡道角度、roll为所述横滚角、pitch为所述轮式机器人的俯仰角。
[0039]
进一步地，在所述根据所述防滑爬坡控制策略控制所述轮式机器人的行驶状态的步骤之后，所述轮式机器人防滑爬坡控制方法还包括：
[0040]
判断所述轮式机器人是否到达相邻路径点，若到达，则执行判断所述轮式机器人是否到达目标点的步骤；
[0041]
若未到达，则执行所述根据所述路径方向更新所述当前方位信息的步骤。
[0042]
进一步地，所述判断所述轮式机器人是否到达目标点的步骤，包括：
[0043]
若判断所述轮式机器人是否到达目标点的判断结果为到达，则结束执行所述轮式机器人防滑爬坡控制方法；
[0044]
若判断所述轮式机器人是否到达目标点的判断结果为未到达，则执行所述根据所述规划路径点集，确定行驶的路径方向的步骤。
[0045]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
[0046]
本发明提供的轮式机器人防滑爬坡控制方法，根据轮式机器人的当前方位信息，获取规划路径点集，并根据规划路径点集，确定行驶的路径方向；根据路径方向更新当前方位信息，并获取轮式机器人所处道路的坡道角度，以及轮式机器人的横滚角；根据坡道角度和横滚角与各自对应阈值的比较结果，确定轮式机器人的防滑爬坡控制策略，并根据防滑爬坡控制策略控制轮式机器人的行驶状态，能够实现轮式机器人的路径跟踪和防滑爬坡控制。无需人工干预，亦不须改变轮组结构或安装防滑铰链，自主性强、容易实现，适用于实际的工程应用。
[0047]
在轮式机器人监测到路面坡度时，进入临界状态时，调整车头的方向，控制轮式机器人运动方向适应路径变化。这种防滑爬坡方式，能自主监测路径变化，选择不同的控制策略，效率高，可节约能源，尤其适用于各种室外场景应用。
[0048]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0049]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0050]
图1为本发明实施例中的轮式机器人防滑爬坡控制方法流程图；
[0051]
图2为本发明实施例中的轮式机器人防滑爬坡控制说明示意图；
[0052]
图3为本发明另一实施例中的轮式机器人防滑爬坡控制方法流程图示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0054]
本发明的一个具体实施例，公开了一种轮式机器人防滑爬坡控制方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0055]
步骤s1：根据轮式机器人的当前方位信息，确定行驶的路径方向。
[0056]
步骤s2：根据所述路径方向更新所述当前方位信息，并获取所述轮式机器人所处道路的坡道角度，以及所述轮式机器人的横滚角。
[0057]
步骤s3：根据所述坡道角度和所述横滚角与各自对应阈值的比较结果，确定所述轮式机器人的防滑爬坡控制策略，并根据所述防滑爬坡控制策略控制所述轮式机器人的行驶状态。本发明实施例可以应用于室内环境，也可以应用于室外环境，下文以室外环境为例进行说明。
[0058]
与现有技术相比，本发明实施例中提供的轮式机器人防滑爬坡控制方法，根据轮式机器人的当前方位信息，获取规划路径点集，并根据规划路径点集，确定行驶的路径方向；根据路径方向更新当前方位信息，并获取轮式机器人所处道路的坡道角度，以及轮式机器人的横滚角；根据坡道角度和横滚角与各自对应阈值的比较结果，确定轮式机器人的防滑爬坡控制策略，并根据防滑爬坡控制策略控制轮式机器人的行驶状态，能够实现轮式机器人的路径跟踪和防滑爬坡控制。无需人工干预，亦不须改变轮组结构或安装防滑铰链，自主性强、容易实现，适用于实际的工程应用。
[0059]
在步骤s1中，当前方位信息可以包括当前的位置和航向，航向可以根据航向角进行确定。
[0060]
行驶的路径方向是指轮式机器人行驶的路径方向，可以通过路径方向角确定路径方向，路径方向角是路径方向与北极方向之间的角度，如图2所示，angle
i-1,i
为路径方向角。
[0061]
进一步地，所述根据轮式机器人的当前方位信息，确定行驶的路径方向，包括：
[0062]
根据轮式机器人的当前方位信息，获取规划路径点集，并根据所述规划路径点集，确定行驶的路径方向。
[0063]
规划路径点集是预先设置的包括有指定数量的路径点的集合。
[0064]
所述当前方位信息包括位置和航向；相应的，所述根据轮式机器人的当前方位信息，获取规划路径点集，包括：
[0065]
根据所述位置和所述航向，接收调度系统发送的在所述位置之前的n个连续路径点的经纬度坐标，并确定所述n个连续路径点的经纬度坐标为所述规划路径点集；n为大于等于2的整数。参照图2，例如当前的位置在路径点i-1到路径点i之间的标记位置，航向为箭
头方向，则当n＝2时，接收的连续路径点的经纬度坐标为路径点i和路径点i+1分别对应的经纬度坐标。
[0066]
确定规划路径点集为路径点i的经纬度坐标和路径点i+1的经纬度坐标。
[0067]
调度系统可以周期性发送n个连续路径点的经纬度坐标；可以一次性发送全部的连续路径点的经纬度坐标，可以一次性发送部分的连续路径点的经纬度坐标。
[0068]
进一步地，所述根据所述规划路径点集，确定行驶的路径方向，包括：
[0069]
根据如下公式计算所述路径方向：
[0070][0071]
angle
i-1,i
＝(180/pi)*arctan2(y,x)
[0072][0073]
其中，angle
i-1,i
为第i-1个路径点到第i个路径点之间的路径方向角、x和y分别为第i-1个路径点到第i个路径点之间的距离长度值在x轴方向上的分量值和在y轴方向上的分量值、pi为π、lngi为第i个路径点的经度、lati为第i个路径点的纬度。通过路径方向角可以确定路径方向。
[0074]
在步骤s2中，如图2所示，图2中的θ为坡道角度、可以获取轮式机器人的俯仰角和横滚角，根据俯仰角和横滚角计算坡道角度。
[0075]
可以理解的是，本发明实施例的路径方向是不断更新的，相应的，当前方位信息也是需要跟随路径方向的更新不断进行更新。例如路径方向角改变，则航向角和位置也需要改变。
[0076]
进一步地，所述获取所述轮式机器人所处道路的坡道角度，包括：
[0077]
根据如下公式计算所述坡道角度：
[0078][0079]
其中，θ为所述坡道角度、roll为所述横滚角、pitch为所述轮式机器人的俯仰角。
[0080]
在步骤s3中，坡道角度和横滚角各自对应阈值可以数值相同，也可以数值不同。控制轮式机器人的行驶状态可以包括方向和速度等。
[0081]
进一步地，如图3所示，所述根据所述坡道角度和所述横滚角与各自对应阈值的比较结果，确定所述轮式机器人的防滑爬坡控制策略，包括：
[0082]
若所述坡道角度小于坡道角度阈值，且所述横滚角小于横滚角阈值，则确定所述防滑爬坡控制策略为模糊控制策略；可以通过模糊控制进行纠偏，实现路径跟踪。
[0083]
若所述坡道角度大于等于坡道角度阈值，且所述横滚角小于等于横滚角阈值，则确定所述防滑爬坡控制策略为控制所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致，且控制所述轮式机器人的速度方向与路径方向一致的控制策略；如图2所示，坡道方向可以根据坡道角度来确定，轮式机器人的原始位置如位置2处虚线所示，将轮式机器人的车头逆时针旋转了角度α后，当前位置如位置3处实线所示，这样就保证了轮式机器人的车头方向与坡道方向一致。
[0084]
轮式机器人的速度为横向方向速度和纵向方向速度的合成速度，该合成速度的方向如图2中箭头所示，与路径方向一致。
[0085]
进一步地，所述控制所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致，且控制所述轮式机器人的速度方向与路径方向一致的控制策略，通过如下公式实现：
[0086][0087][0088]
α＝(angle
i-1,i-yaw)*pi/180
[0089]
其中，angle
i-1,i
为路径点i-1至路径点i的路径方向角，yaw为所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致时的航向角，α为所述轮式机器人的合成速度与车头方向的夹角，v
x
,vy,v分别为所述轮式机器人的横向速度、纵向速度和合成速度、pi为π。
[0090]
若所述坡道角度小于坡道角度阈值，且所述横滚角大于等于横滚角阈值；则确定所述防滑爬坡控制策略为根据所述轮式机器人是否能够进行横向移动的判断结果，再进行判断的控制策略；
[0091]
进一步地，所述根据所述轮式机器人是否能够进行横向移动的判断结果，再进行判断的控制策略，包括：
[0092]
若所述判断结果为所述轮式机器人能够进行横向移动，则确定所述防滑爬坡控制策略为控制所述轮式机器人进行横向移动的控制策略；横向移动幅度量值可以根据实际情况自主设置，如图3所示，根据该控制策略控制轮式机器人进行横向移动，再执行根据所述路径方向更新所述当前方位信息的步骤，对应图3中更新位置航向的步骤。
[0093]
若所述判断结果为所述轮式机器人不能够进行横向移动，则确定所述防滑爬坡控制策略为模糊控制策略。
[0094]
若所述坡道角度大于等于坡道角度阈值，且所述横滚角大于横滚角阈值，则确定所述防滑爬坡控制策略为不采用任何控制策略。
[0095]
进一步地，该轮式机器人防滑爬坡控制方法还包括：
[0096]
若所述坡道角度大于等于坡道角度阈值，且所述横滚角大于横滚角阈值，则控制所述轮式机器人进行原地旋转，以使得按照预设幅度值不断调小所述横滚角，直到所述横滚角小于等于横滚角阈值。如图3所示，每次调小横滚角执行一次横滚角是否大于横滚角阈值的判断条件，如果调小后的横滚角还大于横滚角阈值，则继续调小横滚角，直到横滚角小于等于横滚角阈值。
[0097]
如果调小后的横滚角小于等于横滚角阈值，则不再调小横滚角，执行控制所述轮式机器人的车头方向与坡道方向一致，且控制所述轮式机器人的速度方向与路径方向一致的控制策略。
[0098]
进一步地，在所述根据所述防滑爬坡控制策略控制所述轮式机器人的行驶状态的步骤之后，所述轮式机器人防滑爬坡控制方法还包括：
[0099]
判断所述轮式机器人是否到达相邻路径点，若到达，则执行判断所述轮式机器人是否到达目标点的步骤；如图2所示，轮式机器人在路径点i-1到路径点i之间行驶，当轮式机器人当前的位置与路径点i之间的距离小于等于预设距离时，则确定轮式机器人到达相
邻路径点；否则，确定轮式机器人未到达相邻路径点。
[0100]
若未到达，则执行所述根据所述路径方向更新所述当前方位信息的步骤。对应图3中更新位置航向的步骤。
[0101]
进一步地，所述判断所述轮式机器人是否到达目标点的步骤，包括：
[0102]
若判断所述轮式机器人是否到达目标点的判断结果为到达，则结束执行所述轮式机器人防滑爬坡控制方法；如图3所示，判断轮式机器人是否到达目标点的步骤，包括：
[0103]
如果目标点所在的路径点为路径点i+z，当轮式机器人当前的位置与路径点i+z之间的距离小于等于预设距离时，则确定轮式机器人到达目标点；否则，确定轮式机器人未到达目标点。
[0104]
若判断所述轮式机器人是否到达目标点的判断结果为未到达，则执行所述根据所述规划路径点集，确定行驶的路径方向的步骤。如图3所示，该步骤对应更新路径方向的步骤。
[0105]
接收路径点集后，先通过惯性测量计算自主监测路径所在道路的坡度变化，超出预设值后进入临界状态，再通过调整机器人车头方向与坡道方向一致，控制速度方向与路径方向一致的方式，实现机器人路径跟踪和防滑爬坡。该方法不需要人工干预，亦不须改变轮组结构或安装防滑铰链，自主性强、容易实现，适用于实际的工程应用。
[0106]
本发明实施例可以将惯性测量单元和卫星定位单元安装在轮式机器人运动中心位置，惯性测量单元可以获取坡道角度、俯仰角和横滚角。
[0107]
卫星定位单元可以获取经纬度坐标，以及将轮式机器人定位到路径点。
[0108]
将惯性测量单元和卫星定位单元结合，可以获取轮式机器人的航向。
[0109]
对图3中的步骤按照先后执行顺序具体说明如下：
[0110]
(1)轮式机器人收到路径点后，不断获取当前的航向角和经纬度位置信息：所述路径点为道路中的关键点，关键点可以自定义设置，卫星定位单元控制轮式机器人行驶到关键点上后，可以取10秒钟静态数据的平均值，并作为路径点的经纬度位置。
[0111]
(2)判断轮式机器人是否收到规划路径点集{(lng1,lat1),
…
,(lngn,latn)}
n≥2
，若收到，将进行步骤(3)，否则，返回继续执行步骤(2)。
[0112]
(3)根据连续路径点位置和方向，得到并更新路径方向；具体包括：
[0113]
(3.1)计算从路径点i-1到路径点i形成的直线路径，路径方向角angle
i-1,i
；
[0114]
(3.2)
[0115]
(3.3)angle
i-1,i
＝(180/pi)*arctan2(y,x)；
[0116]
(3.4)
[0117]
(4)根据轮式机器人当前的俯仰角pitch和横滚角roll，计算得到所处道路的坡道角度θ；
[0118][0119]
(5)根据坡道角度θ大小判断坡道状态，若θ＜θ
p
，则认为坡度较小，选择进行常规
纠偏控制流程步骤(6)，否则，进行爬坡控制流程步骤(9)。
[0120]
(6)根据轮式机器人横滚角roll大小判断道路的平整度，若roll＜roll
p
，则认为道路较平整，则进行步骤(8)，否则将进行步骤(7)。
[0121]
(7)读取机器人平台的结构形态，当为标志位1时，表示可以对轮式机器人进行横向移动，在进行横向移动后，返回步骤(4)，否则，进入步骤(8)。
[0122]
(8)连续计算轮式机器人当前路径方向的航向角偏差和横向位置偏差，经模糊控制进行纠偏，实现路径跟踪。
[0123]
(9)若roll≥roll
p
，则认为轮式机器人移动到临界状态，说明车头不正，进行步骤(10)，否则将进行步骤(11)。
[0124]
(10)控制轮式机器人原地旋转，使得横滚角处于roll
p
范围内。
[0125]
(11)控制轮式机器人的车头方向始终保持与坡道方向一致，速度方向与路径方向一致，进行防滑爬坡控制；具体包括：
[0126]
(11.1)控制机器人速度方向与路径方向一致：
[0127]
(11.2)
[0128]
(11.3)
[0129]
(11.4)α＝(angle
i-1,i-yaw)*pi/180。
[0130]
(12)若轮式机器人已到达路径点，则进行步骤(13)，否则，返回步骤(4)。
[0131]
(13)若轮式机器人已到达目标点，则结束，否则，返回步骤(3)。
[0132]
步骤(12)中路径点判定到达的条件如下：
[0133]
轮式机器人与路径点(lngi,lati)之间的平面距离不大于预设值m，即：
[0134][0135]
预设值m的取值范围为0.1m～0.2m。
[0136]
步骤(13)中目标点判定到达的条件可参照路径点，不再赘述。
[0137]
本发明通过惯性传感器非接触测量识别道路状态，自主判定机器人爬坡状态选择控制策略，不依赖人工干预，能提高系统的自动化水平。
[0138]
本发明通过保持机器人车头与道路方向一致，实时调整控制速度方向的方法，进行防滑爬坡，不需要改变机器人本体结构，该方法容易实现、操作灵活，适用于实际的工程应用。
[0139]
其有益效果为：
[0140]
(1)传统防滑爬坡采用改变轮组结构或增加铰链的方式，结构复杂，使用不方便，本发明通过非接触式测量，无需人工干预。
[0141]
(2)本发明通过惯性测量自主监测道路状态，及时选择防滑爬坡控制流程，反应及时，安全系数高。
[0142]
(3)本发明通过调整机器人车头方向与坡道方向一致，控制机器人速度方向与路径方向一致，可以实现快速防滑爬坡和路径跟踪，节约能源，该方法简单、易实现，适用于实际的工程应用。
[0143]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0144]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。