一种农用履带机器人滑动量的估计方法
【专利摘要】本发明公开一种农用履带机器人滑动量的估计方法，通过农用履带机器人建模分析建立其运动方程，利用农用履带机器人上安装的GPS接收机接收的位置、速度信息，陀螺仪采集的方向信息以及加速度传感器接收的加速度信息，确定由这些信息决定的农用履带机器人的观测量Zk＝[zx,k，zy,k，zv,x，zv,y，zθ,k]T，进而建立农用履带机器人的状态方程和观测方程：利用UKF将履带机器人状态方程和观测方程融合起来，获得准确的农用履带机器人姿态信息，再根据滑动参数计算方程，计算出滑动参数。本发明为农用履带机器人按其轨道正常工作提供保障。
【专利说明】一种农用履带机器人滑动量的估计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于物理量估量测量领域，具体涉及一种用于物联网移动节点的农用履带机器人滑动量的估计方法。
【背景技术】
[0002]随着移动机器人研究和应用领域的不断拓展，机器人获得人们越来越多的关注，特别是 NASA 的 Sojourner ( “索杰娜”)、Spirit ( “勇气号”)和 Opportunity ( “机遇号”)火星探测车获得的巨大成就，扩展了人类的科学视野，在全世界范围内掀起了利用机器人进行科学探测和实用的热潮。
[0003]农用履带机器人由于采用了履带行走机构，在通过性和机动性方面体现了更强的地形适应能力和行走能力。与室内履带移动机器人相比，野外履带机器人的工作环境更加复杂，更具有未知性。势必需要对履带机器人所处的农田环境进行在线感知和建模，为机器人导航和控制提供必要的信息基础。其中机器人与接触地面之间的滑动是影响机器人自身行为能力的一个非常重要的因素，尤其对于履带机器人，在执行农田探测和野外考察任务，特别是作为物联网移动节点承担移动路由和信息采集任务时，滑移更是机器人在直行和转弯过程中不可避免的问题。
[0004]在运行过程中，履带机器人的运动由履带径向驱动力以及履带与地面侧向摩擦力共同决定。摩擦力由履带机器人的线速度和角速度决定，履带车的侧向力平衡方程表现为不可积的微分方程，导致履带机器人的路径规划和路径跟踪控制之间出现耦合，即非完整性约束。另外，由于履带-地面之间作用的复杂性，路径土壤参数的不确定性，履带机器人的地面作用力很难得到准确估算。在非平整农田进行直线或转向运行时，由于履带机器人负荷和土壤力学参数的变化，又会出现严重和强烈的扰动现象，使得履带机器人容易偏离预定的行驶路线，严重影响跟踪精度。因此，针对机器人的姿态估计和地面滑移参数的重建研究，对农用履带机器人的导航和精确控制具有深刻的理论意义和实际应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明针对用于互联网节点的农用履带机器人的工作时，虽然，GPS能为机器人提供实时高精度的位置和速度信息，但是GPS信号经常受到遮挡而丢失，难以实现准确地定位，惯导系统能够利用惯性传感器信息自主地推算出机器人相对于起始点的位置，但是惯性传感器存在随机漂移误差，且误差随时间积累的问题，设计基于UKF的履带机器人姿态和滑动的估计系统，利用UKF将履带机器人运动学方程和观测方程融合起来，获得准确的机器人姿态信息，再根据滑动参数计算方程，计算出滑动参数，为保证其按轨道正常工作提供保障。
[0006]本发明所采用的技术方案如下:
[0007]—种农用履带机器人滑动量的估计方法，通过农用履带机器人建模分析建立其运动方程，利用农用履带机器人上安装的GPS接收机接收的位置、速度信息，陀螺仪采集的方向信息以及加速度传感器接收的加速度信息，确定由这些信息决定的农用履带机器人的观测量Zk = [zx,k, Zy,k, zv,x, zv,y, ze，k]T，进而建立农用履带机器人的状态方程和观测方程:利用UKF将履带机器人状态方程和观测方程融合起来，获得准确的农用履带机器人姿态信息，再根据滑动参数计算方程，计算出滑动参数，其特征在于，具体包括以下步骤:
[0008](I)、对农用履带机器人运动分析:
[0009](a)、简化农用履带机器人并定义坐标系:考虑到农用履带机器人主要由移动平台和控制系统组成，移动平台由底盘(车体、2个驱动轮、4个负重轮、2个诱导轮)和2条履带组成，履带分别由2个伺服电动机驱动；在对其运动分析时，只需要考虑其几何结构的俯视图，所以建立XOY是全局笛卡尔坐标系和xoy农用履带机器人相对坐标系，设xoy的原点在农用履带机器人质心，ox为农用履带机器人前进方向，是履带长度L,两履带中心间距为b,两坐标系之间的夹角为Θ ；
[0010](b)、采用瞬态运动分析法建模，假设:①履带接地长度固定，且驱动轮和履带之间无相对滑动存在；②履带接地比压均匀；
[0011]在无滑动的理想情况下，机器人运行方向与参考方向始终保持一致。在非理想条件下，机器人运行方向偏离参考方向，δ表示履带的滑移角度，机器人质心由平动和转动组成，平动速度V在xoy坐标系上的投影为vx、vy,转动速度ω为
【权利要求】
1.一种农用履带机器人滑动量的估计方法，通过对农用履带机器人建模分析建立其运动方程，利用农用履带机器人上安装的GPS接收机接收的位置、速度信息，陀螺仪采集的方向信息以及加速度传感器接收的加速度信息，确定由这些信息决定的农用履带机器人的观测量Zk = [zx；k, zy；k, zv；x, zv；y, z0，k]T,进而建立农用履带机器人的状态方程和观测方程:利用UKF将履带机器人状态方程和观测方程融合起来，获得准确的农用履带机器人姿态信息，再根据滑动参数计算方程，计算出滑动参数，其特征在于，具体包括以下步骤: (1)、采用瞬态运动分析法对农用履带机器人建模，选定所在的位置坐标系xoy和全局笛卡尔坐标X0Y，且两坐标系之间的夹角为Θ，并得到农用履带机器人的运动学方程:
xk = VxCos Θ -vysin Θ (3)
yk = vxsin Θ +vycos Θ ⑷
其中，Vx、Vy为农用履带机器人平动速度V在xoy坐标系上的投影；ωρ 为农用履带机器人左右轮的角速度，r为履带机器人履带驱动轮半径，b是履带机器人两履带中心间距，L是履带长度； (2)、利用农用履带机器人上安装的GPS接收机接收的位置、速度信息，陀螺仪采集的方向信息以及加速度传感器接收的加速度信息，确定由这些信息决定的农用履带机器人的观测量Zk = [zx；k, zy；k, zv；x, zv；y, z 0，k]T,进而建立农用履带机器人的状态方程和观测方程: (a)、状态方程的建立: 用Xk= [xk, yk, vx, vy, 9k] τ描述履带机器人的姿态，机器人离散非线性状态方程为 Xk+1 = f (Xk)+Wk (6) 其中
式中Wk —噪声矢量；t一是米样周期；
xk, yk—全局坐标系中X、Y轴的位置；
θ k一笛卡尔全局坐标系中运动方向与航向的偏差； Vx；k, Vy k一X和y轴上速度； ax；k, ay；k一X和y轴上的加速度； I.—一陀螺仪测的瞬时偏航率； (b)、观测方程的建立: 观测量与状态变量之间的观测方程为 Zk = hk+vk (7)其中
式中vk—观测噪声向量，其它参数定义同式(6)； (3)、利用UFK递推算法处理农用履带机器人离散的非线性状态方程与观测方程，融合更新农用履带机器人速度信息A、 (4)、根据经UFK算法计算得到的农用履带机器人速度信息<、V,，陀螺仪测量得到的瞬时偏航率rk,以及左、右履带驱动轮角速度Colj和ωκ，计算农用履带机器人的左、右履带滑动比和滑动角度如下:
【文档编号】G01C21/20GK104132664SQ201410345885
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】焦俊, 孙力, 汪宏喜, 陈黎卿, 许正荣, 孔文, 袁晨晨 申请人:安徽农业大学