带有双杆臂的履带式移动机器人自主攀爬楼梯控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动机器人领域，特别涉及一种带有双杆臂的小型履带式移动机器人 自主攀爬楼梯控制方法。
【背景技术】
[0002] 移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于 一体的综合系统。目前，移动式机器人被大量应用于各种复杂环境，特别是履带式移动机 器人的应用更为广泛。履带式移动机器人不同于一般的轮式移动机器人，它能通过各种复 杂的地形，并且可以工作在火场、自然灾害、反恐防爆、军事作业、核设施检查等恶劣的环境 下，代替人执行一些具有危险性的工作。这些应用场合要求机器人具有体积小、机动性强、 转向灵活等特点，而且要能够通过自身携带的传感器使其具有一定的自主功能。本专利所 采用的小型履带式移动机器人具有体积小、机动性强、转向灵活和对复杂环境的适应能力 较强等优点，可较好地完成反恐防爆、灾难营救和军事侦察等任务。
[0003] 履带式移动机器人攀爬楼梯的问题一直是有待解决的重点和难点。根据国内外相 关研宄进展，攀爬楼梯的履带式移动机器人大多相对尺寸过大（相对于楼梯高度），这对于 机器人侦查的隐蔽性、携带的便携性以及抛投的距离等都会起到很大的限制作用，因此可 单人单手携带的小型履带式移动机器人应用灵活性更好。但是对于相对尺寸较小的（相对 于楼梯高度）小型履带式移动机器人来说，由于受到自身尺寸的限制，不能采用普通的履 带式移动机器人攀爬楼梯的控制方法，因此，本发明针对小型履带式移动机器人，提出了一 种自主攀爬楼梯的控制方法。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能自主攀爬 楼梯的履带式移动机器人的控制方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种履带式移动机器人爬楼梯的控制方法，所述履带式移动机器人包括前轮、后 轮以及包覆在所述前轮和后轮上的履带，其特征在于：在所述前轮设置有转动角度可控的 双杆臂，通过调整所述双杆臂的转角逐步提升所述履带式移动机器人的重心位置完成攀 爬。
[0007] 所述通过调整所述双杆臂的转角逐步提升所述履带式移动机器人的重心位置完 成攀爬的具体步骤是：
[0008] 步骤1 :确定攀爬台阶的高度，如果攀爬台阶的高度大于最大可攀爬楼梯高度，则 停止攀爬；如果攀爬台阶的高度小于最大可攀爬楼梯高度，则进入步骤2 ;
[0009] 步骤2 :驱动履带向前运动并用码盘测速，使左右履带的运动速度相同，直至到达 车头的履带恰好与第一节台阶相接触，驱动双杆臂按顺时针方向旋转，进入步骤3 ;
[0010] 步骤3 :杆臂按顺时针方向旋转，使车体与地面成一定的角度为Θ，杆臂停止转 动，Θ计算公式为：
[0011] Θ = arccos ((L-R)/D) *180/JT，
[0012] 其中L为杆臂的长度，R前轮的半径，D为前后轮中心之间的距离；
[0013] 保持车体与踏步面的角度不变，进入步骤4 ;
[0014] 步骤4 :杆臂逆时针转动直到与车体成一定角度β，杆臂停止转动，β角保持不 变。驱动轮驱动履带向前运动，车体与地面成90度角时，停止运动进入步骤6 ;
[0015] 其中 β 计算公式为：β = 180-arcsin (R/L) *180/ π ;
[0016] 步骤6 :杆臂按逆时针转动，同时驱动轮驱动履带转动抬起车体，直到杆臂与地面 成90度，进入步骤7 ;
[0017] 步骤7 :驱动轮驱动履带继续转动，直至整个车身完全在楼梯的台阶上，停止运动 攀爬一节楼梯结束，进入步骤8 ;
[0018] 步骤8 :重复步骤2到步骤7,完成剩余节楼梯的攀爬。
[0019] 本发明的优选方案，在步骤1中，车头垂直第一节台阶的具体实现方法是：对两个 红外传感器进行校正，找到红外传感器与台阶的距离对应电压值，通过单片机对两个红外 传感器测量的电压值进行分析，得到两个传感器到台阶的距离相等，此时，车头与第一节台 阶垂直。通过测速码盘，保证两边履带的速度相同，直至机器人的履带恰好与第一节台阶相 接触。
[0020] 本发明的优选方案，机器人角度的测量是通过姿态传感器来实现的，具体的实现 方法，当机器人发生翻转时，用姿态传感器测量得到一个粗略的角度，机器人停止翻转，延 迟1秒钟，再重新测量，如果达到所需的角度，则停止翻转，如果角度过大，则向角度偏小的 方向翻转，如果角度过小，则向角度偏大的方向进行翻转，从而达到所需要的角度。
[0021] 本发明的优选方案，在步骤1中，机器人攀爬第一节台阶之前需要测量台阶的高 度，以用来确定机器人能否翻越该台阶，这个功能是通过机器人前端的摄像头来实现的，机 器人前端的摄像头通过建模和图像处理得出攀爬楼梯的踏步梯面高度，与最大可攀爬楼梯 高度进行对比，如果攀爬台阶的高度大于最大可攀爬楼梯高度，则取消攀爬任务，向操控终 端发出报警信息；如果攀爬台阶的高度小于最大可攀爬楼梯高度，则自动进行攀爬任务。
[0022] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0023] (1)现有此类机器人大多通过履带臂直接搭在台阶上，进行攀爬任务，而这种攀爬 台阶的控制方法要求机器人的相对尺寸都比较大。本发明提出的一种攀爬台阶的控制方 法，适用于相对尺寸较小，无法通过传统的控制方法实现自主攀爬台阶的小型履带式移动 机器人。本发明提出的一种新的控制方法能够实现小型履带式移动机器人攀爬楼梯的功 能。
[0024] (2)由于遥操作机器人系统中不可避免的会出现时延的问题，导致对机器人控制 的实时性较差，而攀爬楼梯的过程对实时性要求较高，因此，机器人在攀爬楼梯的过程中， 机器人通过自身所携带的传感器实现自主控制，则能有效地避免时延问题，提高了控制精 度。
[0025] (3)本控制方法在攀爬楼梯的过程中，首先通过机器人车头前端的红外传感器实 现机器人车头与踏步梯面相垂直，再通过编码器使两侧履带的速度相同，从而使机器人的 车头始终与踏步梯面相垂直，防止在攀爬楼梯的过程中发生侧滑。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的整体系统示意图。
[0027] 图2是本发明的履带式移动机器人的结构示意图。
[0028] 图3是本发明的履带式移动机器人的攀爬楼梯开始状态示意图。
[0029] 图4是本发明的履带式移动机器人的攀爬楼梯准备状态示意图。
[0030] 图5是本发明的履带式移动机器人车体与踏步面成最大角度示意图。
[0031] 图6是本发明的履带式移动机器人杆臂与踏步梯面相切示意图。
[0032] 图7是本发明的履带式移动机器人杆臂与车身成一定角度示意图。
[0033] 图8是本发明的履带式移动机器人车身与踏步面垂直示意图。
[0034] 图9-11是本发明的履带式移动机器人杆臂抬起车体示意图。
[0035] 图12是本发明的履带式移动机器人重心通过踏步面示意图。
[0036] 图13是本发明的履带式移动机器人攀爬楼梯结束示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例，对本发明的工作原理和工作过程作进一步详细说明。
[0038] 实施例：参考图1，本实例的整体系统包括操控终端和带有双杆臂的小型履带式 移动机器人，其中操纵终端与小型履带式移动机器人之间通过WIFI进行无线通信。参考 图2,本实例所采用的带有双杆臂的小型履带式移动机器人是由车体1、驱动轮2-3、支撑轮 4-5、杆臂6-7、摄像头8、红外传感器9-10、履带11-12等组成。机器人的尺寸是长200毫 米，宽180毫米，高60毫米，杆臂的长度为150毫米。本实例的最大可攀爬高度为157毫米。
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