四轮八驱机器人底盘里程计合成方法及系统与流程

1.本发明涉及机器人应用技术领域，具体地说是四轮八驱机器人底盘里程计合成方法及系统。


背景技术：

2.随着机器人产业的不断发展，四轮八驱机器人底盘因其灵活的运动性以及复杂环境适应能力，被应用于越来越多的机器人产品中，从室外巡逻机器人到室内配送服务机器人，四轮八驱结构的底盘都能胜任。
3.对于机器人而言，建图、定位、导航是机器人的基本能力，建图质量的高低取决于激光雷达等传感器精度；同样，定位和导航精度也包括多方面因素，其中里程计信息是最关键因素，因为通过里程计数据积分可以计算出机器人运动的距离，从而为机器人位置推断提供依据。然而里程计包括线速度和角速度，数据往往由机器人底盘反馈，传统机器人底盘一般只通过测量轮子转动的圈数计算机器人运动的距离，通过两个轮子的差速或角度计算机器人运行的角速度，对于简单模型的机器人底盘(两轮差速模型底盘)而言不容易产生误差，计算出来的里程计数据是准确的。但是，对于四轮八驱机器人底盘，由于四个轮子都可以360度转动，所以增加了底盘模型的复杂程度，在转弯时，由于转向舵机机械精度问题，通过轮子转动角度和速度计算出来的角速度误差很大，从而导致合成的里程计数据误差也很大，最终导致定位和导航精度降低，对机器人造成安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明的技术任务是提供四轮八驱机器人底盘里程计合成方法及系统，来解决机器人底盘由于模型复杂和舵机机械精度不高导致里程计数据误差大的问题。
5.本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种四轮八驱机器人底盘里程计合成方法，该方法是通过imu(惯性测量单元)方向角度变化数据融合轮速传感器的线速度数据，合成四轮八驱机器人底盘里程计数据；四轮八驱机器人底盘里程计数据包括两部分数据，分别为：
6.前进速度，即线速度；
7.转向速度，即角速度。
8.作为优选，所述线速度是通过轮毂电机接口获取，四个轮子的线速度分别为v1、v2、v3和v4。
9.作为优选，所述角速度具体如下：
10.由imu的两次角度值相减得到转动角速度差δθ；
11.底盘角速度ω的计算公式如下：
[0012][0013]
更优地，根据轮子的线速度获取对应底盘线速度值，公式如下：
[0014][0015][0016][0017][0018]
其中，a表示底盘的宽度；b表示底盘的长度；v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
分别表示四个轮子的线速度对应求取的底盘的线速度值。
[0019]
更优地，对底盘的线速度值v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
求平均值，获取底盘的线速度v，公式如下：
[0020][0021]
一种四轮八驱机器人底盘里程计合成系统，该系统包括，
[0022]
imu(惯性测量单元)，用于获取方向角速度数据，进而获取转动角速度差值；
[0023]
轮速传感器，用于获取各个轮子的速度数据；
[0024]
融合模块，用于将方向角速度数据与轮速数据相融合，生成机器人底盘的里程计数据；四轮八驱机器人底盘里程计数据包括两部分数据，分别为：
[0025]
前进速度，即线速度；
[0026]
转向速度，即角速度。
[0027]
作为优选，所述线速度是通过轮毂电机接口获取，四个轮子的线速度分别为v1、v2、v3和v4。
[0028]
作为优选，所述角速度具体如下：
[0029]
由imu的两次角度值相减得到转动角速度差δθ；
[0030]
底盘角速度ω的计算公式如下：
[0031][0032]
更优地，根据轮子的线速度获取对应底盘线速度值，公式如下：
[0033][0034][0035]
[0036][0037]
其中，a表示底盘的宽度；b表示底盘的长度；v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
分别表示四个轮子的线速度对应求取的底盘的线速度值。
[0038]
更优地，对底盘的线速度值v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
求平均值，获取底盘的线速度v，公式如下：
[0039][0040]
本发明的四轮八驱机器人底盘里程计合成方法及系统具有以下优点：
[0041]
(一)本发明通过imu方向角数据融合轮速传感器的线速度数据，合成机器人底盘里程计数据，解决了机器人底盘由于模型复杂和舵机机械精度不高导致里程计数据误差大的问题，提高了机器人导航、定位精度；
[0042]
(二)
[0043]
设计合理、结构简单、易于加工、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
[0044]
下面结合附图对本发明进一步说明。
[0045]
附图1为四轮八驱机器人底盘运动模型示意图；
[0046]
附图2为里程计(v、ω)合成过程示意图。
具体实施方式
[0047]
参照说明书附图和具体实施例对本发明的四轮八驱机器人底盘里程计合成方法及系统作以下详细地说明。
[0048]
实施例1：
[0049]
如附图2所示，本实施例提供了一种四轮八驱机器人底盘里程计合成方法，该方法是通过imu(惯性测量单元)方向角度变化数据融合轮速传感器的线速度数据，合成四轮八驱机器人底盘里程计数据；四轮八驱机器人底盘里程计数据包括两部分数据，分别为：
[0050]
前进速度，即线速度；
[0051]
转向速度，即角速度。
[0052]
其中，四轮八驱机器人底盘，结构包括四个轮子，八个驱动(4个电机驱动和4个转向舵机驱动)，其运动模型如附图1所示，其中θ1、θ2、θ3、θ4是四个车轮的转向角度，r1、r2、r3、r4是四个车轮的转向半径，v1、v2、v3、v4分别是四个车轮的速度，a、b分别底盘宽度和长度。
[0053]
本实施例中的线速度是通过轮毂电机接口获取，四个轮子的线速度分别为v1、v2、v3和v4。
[0054]
本实施例中的角速度具体如下：
[0055]
由imu的两次角度值相减得到转动角速度差δθ；
[0056]
底盘角速度ω的计算公式如下：
[0057][0058]
本实施例根据轮子的线速度获取对应底盘线速度值，公式如下：
[0059][0060][0061][0062][0063]
其中，a表示底盘的宽度；b表示底盘的长度；v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
分别表示四个轮子的线速度对应求取的底盘的线速度值。
[0064]
本实施例对底盘的线速度值v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
求平均值，获取底盘的线速度v，公式如下：
[0065][0066]
实施例2：
[0067]
本实施例提供了一种四轮八驱机器人底盘里程计合成系统，该系统包括，
[0068]
imu(惯性测量单元)，用于获取方向角速度数据，进而获取转动角速度差值；
[0069]
轮速传感器，用于获取各个轮子的速度数据；
[0070]
融合模块，用于将方向角速度数据与轮速数据相融合，生成机器人底盘的里程计数据；四轮八驱机器人底盘里程计数据包括两部分数据，分别为：
[0071]
前进速度，即线速度；
[0072]
转向速度，即角速度。
[0073]
本实施例中的线速度是通过轮毂电机接口获取，四个轮子的线速度分别为v1、v2、v3和v4。
[0074]
本实施例中的角速度具体如下：
[0075]
由imu的两次角度值相减得到转动角速度差δθ；
[0076]
底盘角速度ω的计算公式如下：
[0077][0078]
本实施例根据轮子的线速度获取对应底盘线速度值，公式如下：
[0079]
[0080][0081][0082][0083]
其中，a表示底盘的宽度；b表示底盘的长度；v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
分别表示四个轮子的线速度对应求取的底盘的线速度值。
[0084]
本实施例对底盘的线速度值v
c1
、v
c2
、v
c3
及v
c4
求平均值，获取底盘的线速度v，公式如下：
[0085][0086]
该系统的工作过程具体如下：
[0087]
(1)、获取短时间内(δt＝t2–
t1)两个时刻的imu角度值，通过相减得出底盘转动角度差δθ，再由公式得出底盘里程计ω值；
[0088]
(2)、里程计v可通过任意轮子速度和底盘角速度ω推导得出，以前内侧轮为例说明：
[0089]
由四轮八驱运动学模型可近似得到：
[0090]
θu＝θd＝θ；
[0091]
则由附图1可得：
[0092][0093]
及附图1可得底盘质心转弯半径r
[0094][0095][0096]
由四轮八驱运动学模型可得：
[0097][0098]
将式(2)代入式(3)可得：
[0099][0100]
(3)、同理得出v
c2
、v
c3
、v
c4
，则里程计线速度v由v
c1
、v
c2
、v
c3
、v
c4
求平均得出：
[0101]
[0102]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。