一种滚动机器人里程计算装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种滚动机器人里程计算装置及方法，包括以下步骤：S01、通过主轴轮速计测量主轴电机转速并转换为滚动机器人绕主轴旋转产生的角速度，通过姿态传感器检测主轴的倾角，解算出滚动机器人的运动轨迹半径，并进行小量近似，解算出最终主位移；S02、通过副轴轮速计测量副轴电机转速并转换为滚动机器人绕副轴旋转产生的圈数，通过姿态传感器测量滚动机器人的倾角，结合主位移运动，通过小量近似，解算最终侧向位移；S03、将该滚动机器人的子运动进行叠加，最终得到位移增加迭代的解析解，从而获得滚动机器人的运动里程。本方法解算得到的最终位姿增量相对定位稳定性强，定位精度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种滚动机器人里程计算装置及方法
本专利技术涉及机器人定位领域，尤其是涉及一种滚动机器人的里程计算装置和方法。
技术介绍
机器人是一种通过手动或者自动控制，模拟人类完成各种指令的一种智能化装置。机器人可以代替人体进行各种复杂精细的操作，也可以代替人类进入复杂、危险的环境进行探索作业，保证人员安全。机器人完成人类所提出的不同巡检，遍历等任务的首要的前提是需要获得自身的位置和姿态。因此对机器人的定位需求随即而来。机器人的定位主要是利用了移动机器人身上的不同传感器来获得机器人本体以及周围环境的不同信息，通过对这些信息进行相应的处理来获取机器人在环境中的位置和姿态。目前主流的机器人平台装载的传感器包括相机，激光雷达，姿态传感器，轮速计等。相机和激光雷达可以针对周围环境的信息进行测量，通常为环境感知的主体。而姿态传感器，轮速计等可以对机器人自身的状态信息进行测量，通常为自身状态感知主体。本方案针对的对象为滚动机器人，由于外壳的封闭和运动过程中的晃动，导致以相机和雷达作为感知主体的定位方案容易出现较大的定位偏差，稳定性能不够。机器人的轮速里程计，通常以电机轮速计，或与姿态传感器相互融合，解算机器人在水平地面中的位移和姿态增量信息。尽管轮速里程计解算的位姿增量精度有限，但是由于测量值是直接的位置增量，因此位置的稳定性能够得到保障，即不会出现定位发散的现象。在不与地面发生打滑的情况下，定位精度在短期内一般能够满足相应的需求。现阶段，基于轮速计和姿态传感器解算的移动机器人轮速里程计都是针对于轮式机器人平台，通过差分等运动模型解算出位移和姿态增量。而对于非轮式的滚动机器人，里程计设计相对较少。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的缺少针对滚动机器人的位移测量的技术问题，提供一种用于球形或椭球形滚动机器人的里程计算装置及方法。本专利技术针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种滚动机器人里程计算装置，包括可滚动的壳体，壳体左右侧壁之间架设有水平设置的主轴，主轴与壳体刚性连接，主轴中心处设有重摆，壳体内设有驱动重摆前后运动的主轴电机和驱动重摆左右运动的副轴电机，主轴电机上设有测量主轴电机转速的主轴轮速计，副轴电机上设有测量副轴电机转速的副轴轮速计，壳体内还设有检测壳体姿态的姿态传感器。主轴轮速计、副轴轮速计和姿态传感器都与处理器连接，将检测到的信号发送给处理器，由处理器进行解算。副轴为虚拟轴，定义为经过主轴中心并且与主轴垂直，并且位于主轴和参考点A确定的平面内，参考点A为壳体上除与主轴的连接点以外的任意一点。一种滚动机器人里程计算方法，基于前述的里程计算装置，包括以下步骤：S01、通过主轴轮速计测量主轴电机转速并转换为滚动机器人绕主轴旋转产生的角速度，通过姿态传感器检测主轴的倾角，解算出滚动机器人的运动轨迹半径，并进行小量近似，解算出最终主位移；S02、通过副轴轮速计测量副轴电机转速并转换为滚动机器人绕副轴旋转产生的圈数，通过姿态传感器测量滚动机器人的倾角，结合主位移运动，通过小量近似，解算最终侧向位移；S03、将该滚动机器人的子运动进行叠加，最终得到位移增加迭代的解析解，从而获得滚动机器人的运动里程。作为优选，设定壳体上除与主轴的连接点以外的任意一点A为参考点，设定壳体与主轴的一个连接点B为连接点，设定平面γ为主轴平面，主轴和A点都位于主轴平面内；设定球的本体坐标系：球心O为本体坐标系原点，为本体坐标系y轴，在主轴平面内经过O点且垂直于向量并指向参考点A侧的向量为本体坐标系x轴，通过右手法则确定本体坐标系z轴；设定球的参考坐标系：以球初始位置的球心位置为原点，参考坐标系的x轴朝向与初始时刻本体坐标系x轴的水平投影朝向一致，参考坐标系的z轴朝向与重力反方向一致，通过右手法则确定参考坐标系的y轴；所述步骤S01中，主位移运动递推计算方法为：其中，为滚动机器人在△t时间内的主位移运动改变量，R为壳体与地面接触点的曲率；ω0为壳体绕主轴旋转产生的角速度，rollball为主轴的倾角，△yawball为壳体在△t时间内方向角的改变量，为参考坐标系x-o-y平面内t时刻滚动机器人偏航角yawt所指向的单位法向量，为参考坐标系x-o-y平面内yawt所指向的单位法向量。作为优选，所述步骤S02中，侧向位移运动计算方法为：Δyawball＝0其中，为滚动机器人在△t时间内的侧向位移运动改变量，Δrollball为滚动机器人在△t时间内主轴倾角的变化量。作为优选，和位移递推计算方法为：Δyawball＝sin(rollball)·ω0Δt其中，ft为副轴电机当前位置，Nt为主轴电机在△t时间内转过的圈数(即主轴电机在△t时间内绕主轴转过的圈数)，nt为副轴电机在△t时间内转过的圈数。作为优选，当前时刻的壳体的翻滚角rollball由姿态传感器解算得到的翻滚角和副轴电机当前位置ft通过加权平均求得，具体公式为：壳体的翻滚角在△t时间内的变化量Δrollball由姿态传感器解算得到的壳体的翻滚角在△t时间内的变化量和副轴电机在△t时间内转过的圈数nt通过加权平均求得，具体公式为：球体方向角在△t时间内的变化量Δyawt由姿态传感器解算得到的当前时刻偏航角和在△t时间内的变化量通过加权平均求得，具体公式为：β为姿态传感器姿态解算中对翻滚角估计的权重，γ为姿态传感器姿态解算中对偏航角的权重，β和γ的取值范围均为0-1。除了加权平均，还可以通过卡尔曼滤波、非线性优化等多种方法将轮速计和姿态传感器测得的量进行融合。本方案针对的滚动机器人通过外壳的翻滚进行运动，是不发生自旋的，本专利技术带来的实质性效果是，利用了该滚动机器人的运动学模型，融合两种类型的传感器，包括一个或多个电机轮速计和姿态传感器，最终解算该机器人的位姿增量。本方法解算得到的最终位姿增量相对定位稳定性强，定位精度更高。附图说明图1是本专利技术的一种滚动机器人的结构示意图；图2是本专利技术的一种滚动机器人里程计解算的坐标系示意图；图3-图5是本专利技术的一种轮速里程计与小车的差别示意图；图6和图7是本专利技术的一种滚动机器人运动分解示意图；图8是本专利技术的一种滚动机器人主位移运动示意图；图9是本专利技术的一种滚动机器人侧向位移运动示意图；图10是本专利技术的一种运动分解处理流程图；图11是本专利技术的一种最终解算的定位结果示意图；图中：1、壳体，2、主轴，3、重摆，4、主轴电机，5、副轴电机，6、姿态传感器。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。实施例：一种滚动机器人，如图1所示，包括可滚动的球形的壳体1，壳体左右侧壁之间架设水平设置的主轴2，主轴与球体刚性连接，不发生相对运动。主轴中心处设有重摆3。电机驱动重摆运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种滚动机器人里程计算装置，其特征在于，包括可滚动的壳体，壳体左右侧壁之间架设有水平设置的主轴，主轴与壳体刚性连接，主轴中心处设有重摆，壳体内设有驱动重摆前后运动的主轴电机和驱动重摆左右运动的副轴电机，主轴上设有测量主轴转速的主轴轮速计，副轴上设有测量副轴转速的副轴轮速计，壳体内还设有检测壳体姿态的姿态传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种滚动机器人里程计算装置，其特征在于，包括可滚动的壳体，壳体左右侧壁之间架设有水平设置的主轴，主轴与壳体刚性连接，主轴中心处设有重摆，壳体内设有驱动重摆前后运动的主轴电机和驱动重摆左右运动的副轴电机，主轴上设有测量主轴转速的主轴轮速计，副轴上设有测量副轴转速的副轴轮速计，壳体内还设有检测壳体姿态的姿态传感器。


2.一种滚动机器人里程计算方法，基于权利要求1所述的里程计算装置，其特征在于，包括以下步骤：
S01、通过主轴轮速计测量滚动机器人绕主轴旋转产生的角速度，通过姿态传感器检测主轴的倾角，解算出滚动机器人的运动轨迹半径，并进行小量近似，解算出最终主位移；
S02、通过副轴轮速计和姿态传感器测量滚动机器人的翻滚角的变化，结合主位移运动，通过小量近似，解算最终侧向位移；
S03、将该滚动机器人的子运动进行叠加，最终得到位移增加迭代的解析解，从而获得滚动机器人的运动里程。


3.根据权利要求2所述的一种滚动机器人里程计算方法，其特征在于，设定壳体上除与主轴的连接点以外的任意一点A为参考点，设定壳体与主轴的一个连接点B为连接点，设定平面γ为主轴平面，主轴和A点都位于主轴平面内；设定球的本体坐标系：球心O为本体坐标系原点，为本体坐标系y轴，在主轴平面内经过O点且垂直于向量并指向参考点A侧的向量为本体坐标系x轴，通过右手法则确定本体坐标系z轴；设定球的参考坐标系：以球初始位置的球心位置为原点，参考坐标系的x轴朝向与初始时刻本体坐标系x轴的水平投影朝向一致，参考坐标系的z轴朝向与重力反方向一致，通过右手法则确定参考坐标系的y轴；
所述步骤S01中，主位移运动递推计算方法为：



Δyawball＝sin(rollball)·ω0Δt
其中，为滚动机器人在△t时间内的主位移运动改变量，R...

【专利技术属性】
技术研发人员：王酉，黄海晖，何梦佳，
申请(专利权)人：逻腾杭州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33