一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法，包括如下步骤：建立二轮差速运动模型；建立二轮差里程计模型；里程计测算；速度分解。本发明专利技术设计激光AGV移动底盘嵌入式控制部分的运动模型、里程计测算算法、速度控制误差模型、里程计误差模型，设计电机码盘数据的航迹推演，实现了机器人运动的精确描述和控制，降低机器人速度控制误差，进一步降低速度跟随控制偏航角误差和里程计跟随控制偏航角误差，提高机器人速度控制与测算精度，具有推广应用的价值。有推广应用的价值。有推广应用的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法


[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体涉及一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法。

技术介绍

[0002]工业机器人嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
[0003]首先，两轮差速驱动移动机器人结构简单，控制方便，是应用最为广泛的一种移动机器人，其运动模型是移动机器人研究的重要内容。关于两轮差速驱动移动机器人的相关研究中常常忽略了包括移动机器人底层驱动电机动态性能在内的相关动力学因素，但在实际机器人系统中，由于机器人载重等变化会引起驱动系统负载发生变化，从而影响驱动系统的动态响应过程，导致机器人的运动状态发生改变。
[0004]两轮差速驱动移动机器人是一个多输入多输出的控制系统，其运动学模型具有典型的非完整约束，各驱动回路往往采用内部带有非线性环节的双闭环控制系统，是一种具有多个非线性环节的非线性系统，必须采用非线性建模方法建立模型，因此建立考虑移动机器人动力学行为的两轮差速驱动移动机器人运动模型，对于机器人运动的精确描述和控制具有十分重要的理论和实际意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：本专利技术提供了一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法，解决或减少了机器人运动的误差问题。本专利技术能够降低机器人速度控制误差，进一步降低速度跟随控制偏航角误差和里程计跟随控制偏航角误差。
[0006]本专利技术目的通过下述技术方案来实现：
[0007]一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法，包括如下步骤：
[0008]一：建立二轮差速运动模型：首先，确定基于右手坐标系进行速度和里程计的测算；然后，根据移动机器人在两个相邻时刻的位姿建立运动模型；最后，引入机器人坐标系将速度分解到两个驱动轮；
[0009]二：建立二轮差里程计模型：包括根据速度推演航迹、建立控制误差关系方程、系统误差分析、速度跟随控制偏航角误差分析和里程计跟随控制偏航角误差分析；
[0010]三：里程计测算：包括初始化、计算里程计、计算车体速度和里程计数据组包上传；
[0011]四：速度分解：从上位机处获取线速度和角速度，将两个值同时传入SpeedSolution，返回Speed结构体，内部含有左右电机的控制转速值。
[0012]进一步的，建立二轮差速运动模型：
[0013]基于右手坐标系，对移动机器人在两个相邻时刻的位姿建立运动模型，为两相邻时刻移动机器人绕圆弧运动的角度，为相邻时刻两轮子航向角的增量，为轮子行进方向与全局坐标系X轴夹角，也为两相邻时刻移动机器航向角的变化量，根据几何关系，可
得1为左右轮之间的间距，r为机器人圆弧运动半径，d为右轮比左轮多走的距离，ω为机器人角速度，也为左轮角速度和右轮角速度，v为机器人速度，v1为左轮速度，v
r
为右轮速度；
[0014]单位时间dt内，左轮前进距离为x1，右轮前进距离为x
r
，假设dt足够短，做出如下近似：
[0015]则：
[0016]角速度ω为：
[0017]两个轮子的速度分别为：
[0018]引入机器人坐标系，以轮轴中心点计，在机器人坐标系内行进的距离s：s＝v
×
dt；
[0019]左轮行进的距离为d≈l
×
sinθ2；
[0020]进而得出左轮的速度
[0021]右轮的速度
[0022]进一步的，建立二轮差里程计模型：
[0023]设在机器人坐标系的移动速度为v，角速度为ω，时间间隔为dt；那么在机器人坐标系内行进的距离vdt，分解到世界坐标系内x轴和y轴的行进距离分别为dx和dy，则有：
[0024][0025][0026]旋转的弧度为：
[0027]那么一段时间内的累计里程暨为：
[0028][0029][0030][0031]假设小车在任意初始位置EF，经时间t转过θ角后到达另一位置E
′
F
′
，假设t足够小(微分思想)则我们可以认为GF
′
＝F
′
E
′
＝l，左驱动轮比右驱动轮多转过的曲线位移为：GE
′
＝l
×
θ＝v
l
×
t
‑
v
r
×
t；
[0032]即：
[0033]由于小车的运动方式只有直线运动和圆弧运动两种，假设驱动轮的速度vr已知，则随动轮的角速度vl可以推导得：
[0034]由以上分析知，差速轮式机器人的运动由两轮速度差异实现，速度差异项e为：
[0035]由以上总结控制误差的方式如下：两轮间距l：准确测量两轮的间距，减少误差；运行角度θ：提高运行角度的采样频率；测算时间t：尽量延长测算时间。
[0036]进一步的，系统误差分析：精确控制电机的转速主要依赖于编码器的反馈，而决定编码器的速度输出精度的因素包括，编码器线数、传动比、驱动轮周长、脉冲采集时间等，同一型号的电机编码器线数和传动比相同，编码器在电机输出轴(驱动轮)转一圈时输出的脉冲数越多驱动轮周长越小则速度控制精度就越高。
[0037]进一步的，假设有一款电机编码器线数11，电机输出轴每转一圈脉冲数为204个，驱动轮直径95mm，传动比RA为18.5；
[0038]电机的霍尔编码器有AB相反馈，A相与B相有1/4周期的相位差，电机输出轴每转动一圈编码器A相与B相各输出204个边沿(上升沿和下降沿，脉冲数＝编码器线数*传动比，边沿数＝2*脉冲数)；
[0039]在单相反馈的情况下，脉冲反馈图的前一个脉冲的下降沿到后一个脉冲的上升沿，对应到驱动轮转动的距离为：
[0040]其中A为驱动轮周长，P为轮子每转动一圈编码器A相或者B相所发出的脉冲上升沿数和下降沿数总和；
[0041]在两相都利用起来的情况下，分别采集A相脉冲和B相脉冲的上升沿和下降沿，对应到驱动轮的转动距离ε
′
为：
[0042]在脉冲处理时，由于一般采用的是对脉冲的上升沿或者下降沿进行计数，决定其只能记录整数个脉冲，对应到驱动轮的转动距离算出的转动距离只能是ε的整数倍；
[0043]在测算速度时，假设在时间t内，记录到了n个脉冲，则驱动轮的转动速度为V为：
[0044]同理如果t时间内，记录到了n+1个脉冲则V
′
为：
[0045]则速度测算值与速度实际值的误差范围为：
△
V＝V
′‑
V＝ε/t，因为测速时我们认为在时间t内电机是匀速转动的，这就要求t尽量小一些以保证尽量接近匀速，但是就提高测算精度来说又需要时间t尽可能大一些，所以在选择采样时间的时候需要权衡。
[0046]进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人激光定位与协调运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：一：建立二轮差速运动模型：首先，确定基于右手坐标系进行速度和里程计的测算；然后，根据移动机器人在两个相邻时刻的位姿建立运动模型；最后，引入机器人坐标系将速度分解到两个驱动轮；二：建立二轮差里程计模型：包括根据速度推演航迹、建立控制误差关系方程、系统误差分析、速度跟随控制偏航角误差分析和里程计跟随控制偏航角误差分析；三：里程计测算：包括初始化、计算里程计、计算车体速度和里程计数据组包上传；四：速度分解：从上位机处获取线速度和角速度，将两个值同时传入SpeedSolution，返回Speed结构体，内部含有左右电机的控制转速值。2.根据权利要求1所述的工业机器人激光定位与协调运动控制方法，其特征在于，建立二轮差速运动模型：基于右手坐标系，对移动机器人在两个相邻时刻的位姿建立运动模型，为两相邻时刻移动机器人绕圆弧运动的角度，为相邻时刻两轮子航向角的增量，为轮子行进方向与全局坐标系X轴夹角，也为两相邻时刻移动机器航向角的变化量，根据几何关系，可得l为左右轮之间的间距，r为机器人圆弧运动半径，d为右轮比左轮多走的距离，ω为机器人角速度，也为左轮角速度和右轮角速度，v为机器人速度，v
l
为左轮速度，v
r
为右轮速度；单位时间dt内，左轮前进距离为x
l
，右轮前进距离为x
r
，假设dt足够短，做出如下近似：则：角速度ω为：两个轮子的速度分别为：引入机器人坐标系，以轮轴中心点计，在机器人坐标系内行进的距离s：s＝v
×
dt；左轮行进的距离为进而得出左轮的速度右轮的速度3.根据权利要求1所述的工业机器人激光定位与协调运动控制方法，其特征在于，建立二轮差里程计模型：设在机器人坐标系的移动速度为v，角速度为ω，时间间隔为dt；那么在机器人坐标系内行进的距离vdt，分解到世界坐标系内x轴和y轴的行进距离分别为dx和dy，则有：
旋转的弧度为：那么一段时间内的累计里程暨为：那么一段时间内的累计里程暨为：那么一段时间内的累计里程暨为：假设小车在任意初始位置EF，经时间t转过θ角后到达另一位置E
′
F
′
，假设t足够小则我们可以认为GF
′
＝F
′
E
′
＝l，左驱动轮比右驱动轮多转过的曲线位移为：GE
′
＝l
×
θ＝v
l
×
t
‑
v
r
×
t；即：由于小车的运动方式只有直线运动和圆弧运动两种，假设驱动轮的速度vr已知，则随动轮的角速度vl可以推导得：由以上分析知，差速轮式机器人的运动由两轮速度差异实现，速度差异项e为：由以上总结控制误差的方式如下：两轮间距l：准确测量两轮的间距，减少误差；运行角度θ：提高运行角度的采样频率；测算时间t：尽量延长测算时间。4.根据权利要求1所述的工业机器人激光定位与协调运动控制方法，其特征在于，系统误差分析：精确控制电机的转速主要依赖于编码器的反馈，而决定编码器的速度输出精...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏斌，包壁祯，张青，
申请(专利权)人：成都四威高科技产业园有限公司，
类型：发明
国别省市：