一种移动机器人用定位装置及定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种移动机器人用定位装置，包括支架，支架上设有至少两个全向轮，相邻两个全向轮旋转轴之间的夹角为大于0°同时小于180°，优选两个正交的全向轮，每个全向轮相对支架可沿竖直方向滑动；定位装置还包括能够采集每个全向轮线速度的线速度采集装置，能够采集所述支架旋转角度的角速度采集装置，以及处理系统，线速度采集装置的数据输出接口、角速度采集装置的数据输出接口分别与处理系统通讯连接。该定位装置直接可以固设在移动机器人底盘上任意位置，其确定的移动机器人位置，并不会因为移动机器人车轮打滑情况而产生影响，结构简单，易于控制，定位快速精确；适用于任意形式的移动机器人底盘结构。
【专利说明】一种移动机器人用定位装置及定位方法
[0001]
【技术领域】 本发明涉及一种移动机器人定位【技术领域】，特别涉及一种移动机器人用定位装置及定 位方法。
【背景技术】
[0002] 移动机器人在人类生产、生活中得到越来越广泛的应用，如各类竞赛机器人、车间 搬运机器人、清洁机器人及各种服务机器人。移动机器人的定位系统是备受关注、富有挑战 性的一个重要研究课题，所谓定位是要确定机器人在环境中的实时位姿。根据移动机器人 的底盘结构主要包括以下移动机器人：履带式、差动轮式、全向轮式。传统的编码器定位技 术是通过在各种移动机器人的底盘主动轮上安装编码器，以获得轮子转动的圈数，进而获 得机器人相对于上一采样时刻位置和姿态的改变量，通过位移量的累积就可估算机器人的 位置。但这种技术具有较大的局限性：由于编码器安装在主动轮上，以测电机转速即主动 轮的转数获得数据来进一步求解机器人所在的位置，但是，当遇到崎岖不平或者倾斜的路 面时，会改变机器人的加速度，因此受到惯性和地面摩擦阻力等因素影响，安装有编码器的 机器人主动轮在运动过程中常会出现打滑或测滑现象，在主动轮未发生运动变化下机器人 位置可能已经发生变化的时候，所以该编码器所测的数据会引起较大的机器人位置定位误 差；同时，轮子越多，在将编码器主动轮上时也会因为偏轴误差，引起较大的定位误差，严重 影响了移动机器人的定位精度和控制；当然，在主动轮打滑时，机器人的从动轮虽然可能不 会打滑而保持原状，但是，如果将编码器安装在从动轮上，一方面考虑从动轮的承重问题需 要改变从动轮与底盘的连接结构，比较麻烦，二是从动轮本身也不具备减震功能，在遇到崎 岖不平的路面时，从动轮也不能很好的适应路面的情况而发生震动，也会产生较大的误差。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的传统技术中将编码器定位于移动机 器人的主动轮或从动轮上时，在遇到崎岖不平或倾斜路面时，机器人在移动过程中发生打 滑或侧滑，从而引起较大定位误差的不足，提供一种移动机器人用定位装置，本发明还提供 了该定位装置的定位方法。
[0004] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： 一种移动机器人用定位装置，包括支架，所述支架上设有至少两个全向轮，相邻两个所 述全向轮旋转轴之间的夹角为大于0°同时小于180°，每个全向轮相对所述支架可沿坚 直方向滑动；所述定位装置还包括能够采集每个所述全向轮线速度的线速度采集装置，能 够采集所述支架旋转角度的角速度采集装置，以及处理系统，所述线速度采集装置的数据 输出接口、角速度采集装置的数据输出接口分别与所述处理系统通讯连接。
[0005] 该移动机器人用定位装置包括至少两个全向轮，相邻两个全向轮的夹角大于0° 且小于180°，定位装置上的线速度采集装置可以分别测得每个全向轮的变量，如线速度和 进行轨迹增量，角速度采集装置能够采集定位装置相对地面旋转角度的增量，将原始数据 传入处理系统，处理系统则可以计算出定位装置的坐标位置，如世界坐标系中的横坐标和 纵坐标，以及旋转角度；由于该定位装置不需要设于移动机器人的主动轮或从动轮上使用， 而是直接可以固设在移动机器人底盘上，任意位置，所得到的定位装置的坐标即可相应得 到整个移动机器人的位置，并不会因为在遇到崎岖不平或倾斜路面时，主动轮打滑或侧移 情况而对移动机器人定位产生影响，因为该定位装置上的全向轮能够相对支架沿坚直方向 滑动，能够灵活适应路面情况，起到减震作用，响应迅速；由于该定位装置是整体化装于移 动机器人底盘上，能有效避免装配后的偏轴误差对定位的影响，其结构简单，易于控制，定 位快速精确。
[0006] 优选地，所述支架上设有两个大小相同、相互垂直的全向轮。
[0007] 该支架上包括两个大小相同、相互垂直的全向轮，相互垂直的意思是即两个全向 轮的自转轴相对垂直设置，每个全向轮不仅能够沿进行方向的滚动，还能沿垂直于每个全 向轮的行进方向滑动，所以两个全向轮的同时旋转运动合成运动可以是沿其他任意方向的 运动，因此两个相互垂直的全向轮已经能够实现任意的方向的滚动或滑动。
[0008] 优选地，所述支架上设有顶盖，每个所述全向轮装于轮架上，每个所述轮架与所述 顶盖之间还设有伸缩部件，所述伸缩部件包括坚直连接在所述顶盖、所述轮架之间的减震 轴，所述减震轴外套设有减震弹簧。
[0009] 由于现有移动机器人上的主动轮或从动轮一般都不具备减震功能，所以在遇到崎 岖不平的路面时，移动机器人震动较大，影响其稳定性；通过在每个全向轮的轮架和顶盖上 设置伸缩部件，选用常见的减震轴和减震弹簧，在遇到崎岖不平的路面时，该定位装置能够 根据路面的情况进行伸缩，能始终与路面相接触，并不会发生打滑现象，进一步提高了定位 装置的定位准确性，同时也能改进移动机器人运动的平稳性。
[0010] 优选地，每个所述轮架上设有至少一个沿坚直方向的滑块，所述支架上对应设有 与所述滑块适配的滑槽。
[0011] 两个全向轮的轮架和支架分别均通过沿坚直方向的滑块、滑槽配合，使连接在两 个轮架和顶盖之间设置的伸缩部件，始终保持在同一坚直方向伸缩，全向轮也不会发生径 向滑动。
[0012] 优选地，所述支架包括中间板以及垂直连接在所述中间板端部的侧板一和侧板 二，形成Z字形状，两个所述全向轮分别位于所述中间板两侧。
[0013] 该侧板一、中间板、侧板二还可以为一体成型体，能够有效增加支架的结构强度和 装配的精准度。
[0014] 优选地，所述滑槽包括四个，其中两个滑槽分别设在所述中间板两侧，另外两个滑 槽分别设在所述侧板一、侧板二上，每个所述全向轮的轮架上对应位置设有两个滑块与对 应所述滑槽适配。
[0015] 每个轮架通过两个滑块与支架上的滑槽适配，两个滑槽且相互垂直，不仅便于轮 架对准支架安装，还可以进一步增加轮架在相对支架上下滑动时的稳定性，不易发生摆动。
[0016] 优选地，所述线速度采集装置为分别设于每个所述全向轮轮轴上的增量式编码 器，所述角速度采集装置为陀螺仪。
[0017] 每个全向轮上的增量式编码器都可以增量式光电编码器，采集数据准确，反应灵 敏；而角速度采集装置可以采用MEMS陀螺仪；另外相应的处理系统中进行数据运算处理的 处理器平台可以采用STM32系列微处理器。
[0018] 优选地，所述支架底部还设有底盖，所述底盖相应位置设有能够穿过两个所述全 向轮的开槽，所述支架、顶盖、底盖之间还设有封板，能够将所述全向轮、轮架、伸缩部件、线 速度采集装置封装；所述处理系统设于所述顶盖表面，包括底板、处理器平台和上壳，所述 上壳设有所述处理器平台的数据传输接口。
[0019] 支架上设有底盖和封板，其作用是可以遮挡和保护全向轮，能有效减少地面的杂 质或灰尘进入全向轮，防止全向轮被杂物缠绕卡死，增强该定位装置的使用安全，也提高全 向轮的使用寿命。另外，同时也将线速度采集装置、角速度采集装置、处理器平台封装成一 体化模块，只需要将模块外壳设置一个数据传输接口，便能将定位装置的位置信息传输到 移动机器人主控装置中，操作方便。
[0020] 本发明还提供了一种移动机器人用定位装置的定位方法，使用如上所述的移动机 器人用定位装置，包括以下步骤： 步骤一、将所述定位装置固设于移动机器人底盘下方，调整所述定位装置的两个全向 轮与移动机器人其他车轮为同一水平面； 步骤二、测量两个全向轮分别相对于移动机器人车体中心的垂直距离Λ、Λ ; 步骤三、移动机器人运动，所述线速度采集装置同时采集两个全向轮的参数，分别获得 单位时间内每个全向轮的线速度G、κ2，所述角速度采集装置采集所述定位装置的参数，获 得单位时间内所述定位装置的相对地面旋转角度的增量《; 步骤四、将所述线速度采集装置和角速度采集装置所采集的参数传输至所述处理系 统，所述处理系统输出移动机器人的当前位置参数，包括位于世界坐标系Χ0Υ的平面坐标 和旋转角度0。
[0021] 优选地，所述移动机器人的位于世界坐标系Χ0Υ的当前位置坐标值〃根据以 下步骤得到： 步骤a、在水平面车体坐标系I0J中，其中以车体中心为中心点0、0A方向位于移动机 器人进行方向、0J方向为移动机器人行进的垂直方向，通过所述线速度采集装置获得单位 时间内每个全向轮的线速度匕、κ2，和所述角速度采集装置获得的单位时间内所述定位装置 的相对地面旋转角度的增量》，以及结合两个全向轮分别相对于移动机器人车体中心的垂 直距离之、/ 2,得到移动机器人在车体坐标系I0J中沿I方向和J方向的瞬时速度G G.如 下：
【权利要求】
1. 一种移动机器人用定位装置，包括支架（1)，其特征在于，所述支架（1)上设有至少 两个全向轮（2)，相邻两个所述全向轮（2)旋转轴之间的夹角为大于0°同时小于180°，每 个全向轮（2)相对所述支架（1)可沿坚直方向滑动；所述定位装置还包括能够采集每个所 述全向轮（2)线速度的线速度采集装置，能够采集所述支架（1)旋转角度的角速度采集装 置，以及处理系统（9)，所述线速度采集装置的数据输出接口、角速度采集装置的数据输出 接口分别与所述处理系统（9)通讯连接。
2. 根据权利要求1所述的一种移动机器人用定位装置，其特征在于，所述支架（1)上设 有两个大小相同、相互垂直的全向轮（2)。
3. 根据权利要求2所述一种移动机器人用定位装置，其特征在于，所述支架（1)上设有 顶盖（5)，每个所述全向轮（2)装于轮架（3)上，每个所述轮架（3)与所述顶盖（5)之间还 设有伸缩部件（4)，所述伸缩部件（4)包括坚直连接在所述顶盖（5)、所述轮架（3)之间的 减震轴（41)，所述减震轴（41)外套设有减震弹簧（42)。
4. 根据权利要求3所述一种移动机器人用定位装置，其特征在于，每个所述轮架（3)上 设有至少一个沿坚直方向的滑块（32)，所述支架（1)上对应设有与所述滑块（32)适配的滑 槽（14)。
5. 根据权利要求4所述一种移动机器人用定位装置，其特征在于，所述支架（1)包括中 间板（12)以及垂直连接在所述中间板（12)端部的侧板一（11)和侧板二（13)，形成Z字形 状，两个所述全向轮（2)分别位于所述中间板（12)两侧。
6. 根据权利要求5所述一种移动机器人用定位装置，其特征在于，所述滑槽（14)包括 四个，其中两个滑槽（14)分别设在所述中间板（12)两侧，另外两个滑槽（14)分别设在所 述侧板一（11)、侧板二（13)上，每个所述全向轮（2)的轮架（3)上对应位置设有两个滑块 (32)与对应所述滑槽（14)适配。
7. 根据权利要求2-6任一所述一种移动机器人用定位装置，其特征在于，所述线速度 采集装置为分别设于每个所述全向轮（2)轮轴上的增量式编码器（8)，所述角速度采集装 置为陀螺仪（95)。
8. 根据权利要求7所述一种移动机器人用定位装置，其特征在于，所述支架（1)底部还 设有底盖（6)，所述底盖（6)相应位置设有能够穿过两个所述全向轮（2) (2)的开槽（62)， 所述支架（1)、顶盖（5)、底盖（6)之间还设有封板（7)，能够将所述全向轮（2)、轮架（3)、 伸缩部件（4)、线速度采集装置封装；所述处理系统（9)设于所述顶盖（5)表面，包括底板 (93)、处理器平台（92)和上壳（91)，所述上壳（91)设有所述处理器平台（92)的数据传输 接口（96)。
9. 一种移动机器人用定位装置的定位方法，使用如权利要求2所述的移动机器人用定 位装置，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、将所述定位装置固设于移动机器人底盘下方，调整所述定位装置的两个全向 轮（2)与移动机器人其他车轮为同一水平面； 步骤二、测量两个全向轮（2)分别相对于移动机器人车体中心的垂直距离Λ、Λ ; 步骤三、移动机器人运动，所述线速度采集装置同时采集两个全向轮（2)的参数，分别 获得单位时间内每个全向轮（2)的线速度匕、匕，所述角速度采集装置采集所述定位装置的 参数，获得单位时间内所述定位装置的相对地面旋转角度的增量_ ; 步骤四、将所述线速度采集装置和角速度采集装置所采集的参数传输至所述处理系统 (9)，所述处理系统（9)输出移动机器人的当前位置参数，包括位于世界坐标系XOY的平面 坐标^_7和旋转角度0。
10.根据权利要求9所述一种移动机器人用定位装置的定位方法，其特征在于，所述移 动机器人的位于世界坐标系XOY的当前位置坐标值〃根据以下步骤得到： 步骤a、在水平面车体坐标系IOJ中，其中以车体中心为中心点0、OA方向位于移动机 器人进行方向、0J方向为移动机器人行进的垂直方向，通过所述线速度采集装置获得单位 时间内每个全向轮（2)的线速度匕、匕，和所述角速度采集装置获得的单位时间内所述定位 装置的相对地面旋转角度的增量*，以及结合两个全向轮（2)分别相对于移动机器人车体 中心的垂直距离Λ、Λ，得到移动机器人在车体坐标系I0J中沿I方向和J方向的瞬时速度 G匕如下：
步骤b、将步骤a中的公式进行积分，得到移动机器人在车体坐标系I0J中单位时间内 定位装置在车体坐标系I0J中的移动距离沿、心'如下：
步骤c、通过世界坐标系Χ0Υ和车体坐标系I0J中的换算，结合所述步骤a、步骤b的公 式，得到所述移动机器人的位于世界坐标系Χ0Υ的当前位置坐标值z、_F、〃如下：
其中上述公式中的各个参数表示的含义如下： G、K2:分别为根据所述线速度采集装置采集的信息获得的两个全向轮（2)的瞬时线速 度； 匕：分别为所述定位装置在车体坐标系I0J中沿I方向和J方向的瞬时速度； 、^分别为根据所述线速度采集装置测得的在单位时间内两个全向轮（2)旋转轨 迹的增量； β为所述角速度采集装置测得的定位装置在单位时间内相对地面转动角度的增量； Λ、Λ分别为两个全向轮（2)与移动机器人车体中心的垂直距离； i/i、心·分别为单位时间内定位装置在车体坐标系I0J中的移动距离。
【文档编号】G01C21/10GK104089617SQ201410374749
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】骆德渊, 彭倍, 刘静 申请人:四川阿泰因机器人智能装备有限公司