淺談全向輪機器人三位一體定位方法

摘要：在亞太機器人國內選拔賽中，各大高校制作的機器人都是全向輪機器人，基于全向輪定位使用最多的是碼盤定位。但碼盤行走存在誤差，適合于短距離的移動。對于長距離的行走，誤差比較大。因此，文章提供一種新式的定位方法，即碼盤-陀螺儀-激光雷達三位一體定位方法。碼盤計算機器人行走距離，陀螺儀給出機器人當前姿態角，激光雷達用于輔助定位。

關鍵詞：全向輪；碼盤；陀螺儀；激光雷達

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比賽中，輪式機器人車輪一般都選用全向輪。基于全向輪的底盤定位大多是碼盤定位。機器人在行走的過程中有平動，也有轉動，僅靠碼盤來定位存在很大的誤差，定位和姿態角計算也比較困難。因此，本文提供一種新式的定位方法。

1 碼盤-編碼器

碼盤其實是一種全向輪，可以實現任意方向上的行走。編碼器主要用于測量機器人走過的路程和當前的速度。綜合考慮，我們選增量式編碼器。增量式編碼器每轉一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數由光柵的分辨率和倍頻決定，可以實現多圈無限累加計數。

2 陀螺儀

用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或兩個軸的角運動檢測裝置稱為陀螺儀。主要用于檢測角位移和角速度，具有很高的靈敏度。陀螺儀存在誤差，所以使用前需要校正。陀螺儀的線性誤差可以通過實驗測量測出。即把陀螺儀放在旋轉平臺上一定角度，觀測其返回的值，判斷是否有誤差。若有誤差，則可以多次測量進行線性補償。

3 激光雷達

激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。工作原理：向目標發射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，目標進行探測、識別。利用激光雷達的這個原理，可以用它發出激光束掃射場地上固定位置的物體，通過返回來的激光束來測量機器人到固定位置物體距離，從而得出機器人在場地上的坐標。

4 定位算法

本定位方案采用雙碼盤-陀螺儀-激光雷達三位一體定位方式。兩個碼盤安裝在相互垂直的兩個方向上，用于測量機器人沿這兩個方向的位移。陀螺儀用于測量機器人行走時的角位移。由于碼盤長距離行走存在較大的誤差，當機器人到達預定位置附近（主要是碼盤定位不準）時，激光雷達用于輔助定位。在程序中設定采樣周期是5ms，每5ms讀取一次碼盤和陀螺儀數據。因為5ms內機器位移和角度變化量很小，可以近似用直線來處理。

如圖1所示，兩個碼盤相互垂直放置，設碼盤1的線速度為V1，碼盤中心與自身坐標系X軸的方向夾角為α；設碼盤2的線速度為V2，與碼盤1的夾角為β；自轉的角速度為w；θ為自身坐標系和世界坐標系的夾角，θ=機器人初始角+陀螺儀測得轉過角度。L1、L2分別為碼盤1、2到自身坐標系中心的距離。則（V1，V2，w）T與（VX，VY，ω）T關系見式（1）。

（1）

（2）

以機器人初始點中心0為參考點建立世界坐標系X0Y，取廣義坐標為q=（）T，其中（x，y）是機器人中心O在世界坐標系中的坐標。則世界坐標系和機器人自身坐標系之間關系見式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms讀取一次碼盤脈沖數和陀螺儀數據，得出碼盤速度V1、V2和機器人角速度ω，得出機器人在世界坐標系下的速度（），得出機器人在世界坐標系下的位移增量。把每次采樣的位移增量加起來就可以得出機器人的世界坐標。

由于碼盤定位不是特別準確，因此在機器人到達碼盤行走預定位置時，激光雷達通過掃描場地周圍物體來獲知機器人的具體位置，反饋給控制器，控制器調整機器人坐標，使機器人移動到達正確位置。

5 結語

目前使用單碼盤定位精度比較低，而且行走比較難控制，難以完成復雜路線的行走。碼盤-陀螺儀-激光雷達定位方式可以到達較高的精度，而且能夠實現復雜路線的行走。同時在實踐中我們也發現，陀螺儀存在漂移，使得定位有時不是很準。因此在使用陀螺儀時應該特別注意這點。

參考文獻

[1] 宋永瑞.移動機器人及其自主化技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 曹其新，張蕾.輪式自主移動機器人[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[3] 程寶山.萬向輪定位技術[J].機器人應用與技術，2009.

[4] 王立權.機器人創新設計與制作[M].北京：清華大學出版社，2006.

作者簡介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武漢大學學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。endprint

摘要：在亞太機器人國內選拔賽中，各大高校制作的機器人都是全向輪機器人，基于全向輪定位使用最多的是碼盤定位。但碼盤行走存在誤差，適合于短距離的移動。對于長距離的行走，誤差比較大。因此，文章提供一種新式的定位方法，即碼盤-陀螺儀-激光雷達三位一體定位方法。碼盤計算機器人行走距離，陀螺儀給出機器人當前姿態角，激光雷達用于輔助定位。

關鍵詞：全向輪；碼盤；陀螺儀；激光雷達

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比賽中，輪式機器人車輪一般都選用全向輪。基于全向輪的底盤定位大多是碼盤定位。機器人在行走的過程中有平動，也有轉動，僅靠碼盤來定位存在很大的誤差，定位和姿態角計算也比較困難。因此，本文提供一種新式的定位方法。

1 碼盤-編碼器

碼盤其實是一種全向輪，可以實現任意方向上的行走。編碼器主要用于測量機器人走過的路程和當前的速度。綜合考慮，我們選增量式編碼器。增量式編碼器每轉一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數由光柵的分辨率和倍頻決定，可以實現多圈無限累加計數。

2 陀螺儀

用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或兩個軸的角運動檢測裝置稱為陀螺儀。主要用于檢測角位移和角速度，具有很高的靈敏度。陀螺儀存在誤差，所以使用前需要校正。陀螺儀的線性誤差可以通過實驗測量測出。即把陀螺儀放在旋轉平臺上一定角度，觀測其返回的值，判斷是否有誤差。若有誤差，則可以多次測量進行線性補償。

3 激光雷達

激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。工作原理：向目標發射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，目標進行探測、識別。利用激光雷達的這個原理，可以用它發出激光束掃射場地上固定位置的物體，通過返回來的激光束來測量機器人到固定位置物體距離，從而得出機器人在場地上的坐標。

4 定位算法

本定位方案采用雙碼盤-陀螺儀-激光雷達三位一體定位方式。兩個碼盤安裝在相互垂直的兩個方向上，用于測量機器人沿這兩個方向的位移。陀螺儀用于測量機器人行走時的角位移。由于碼盤長距離行走存在較大的誤差，當機器人到達預定位置附近（主要是碼盤定位不準）時，激光雷達用于輔助定位。在程序中設定采樣周期是5ms，每5ms讀取一次碼盤和陀螺儀數據。因為5ms內機器位移和角度變化量很小，可以近似用直線來處理。

如圖1所示，兩個碼盤相互垂直放置，設碼盤1的線速度為V1，碼盤中心與自身坐標系X軸的方向夾角為α；設碼盤2的線速度為V2，與碼盤1的夾角為β；自轉的角速度為w；θ為自身坐標系和世界坐標系的夾角，θ=機器人初始角+陀螺儀測得轉過角度。L1、L2分別為碼盤1、2到自身坐標系中心的距離。則（V1，V2，w）T與（VX，VY，ω）T關系見式（1）。

（1）

（2）

以機器人初始點中心0為參考點建立世界坐標系X0Y，取廣義坐標為q=（）T，其中（x，y）是機器人中心O在世界坐標系中的坐標。則世界坐標系和機器人自身坐標系之間關系見式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms讀取一次碼盤脈沖數和陀螺儀數據，得出碼盤速度V1、V2和機器人角速度ω，得出機器人在世界坐標系下的速度（），得出機器人在世界坐標系下的位移增量。把每次采樣的位移增量加起來就可以得出機器人的世界坐標。

由于碼盤定位不是特別準確，因此在機器人到達碼盤行走預定位置時，激光雷達通過掃描場地周圍物體來獲知機器人的具體位置，反饋給控制器，控制器調整機器人坐標，使機器人移動到達正確位置。

5 結語

目前使用單碼盤定位精度比較低，而且行走比較難控制，難以完成復雜路線的行走。碼盤-陀螺儀-激光雷達定位方式可以到達較高的精度，而且能夠實現復雜路線的行走。同時在實踐中我們也發現，陀螺儀存在漂移，使得定位有時不是很準。因此在使用陀螺儀時應該特別注意這點。

參考文獻

[1] 宋永瑞.移動機器人及其自主化技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 曹其新，張蕾.輪式自主移動機器人[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[3] 程寶山.萬向輪定位技術[J].機器人應用與技術，2009.

[4] 王立權.機器人創新設計與制作[M].北京：清華大學出版社，2006.

作者簡介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武漢大學學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。endprint

摘要：在亞太機器人國內選拔賽中，各大高校制作的機器人都是全向輪機器人，基于全向輪定位使用最多的是碼盤定位。但碼盤行走存在誤差，適合于短距離的移動。對于長距離的行走，誤差比較大。因此，文章提供一種新式的定位方法，即碼盤-陀螺儀-激光雷達三位一體定位方法。碼盤計算機器人行走距離，陀螺儀給出機器人當前姿態角，激光雷達用于輔助定位。

關鍵詞：全向輪；碼盤；陀螺儀；激光雷達

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比賽中，輪式機器人車輪一般都選用全向輪。基于全向輪的底盤定位大多是碼盤定位。機器人在行走的過程中有平動，也有轉動，僅靠碼盤來定位存在很大的誤差，定位和姿態角計算也比較困難。因此，本文提供一種新式的定位方法。

1 碼盤-編碼器

碼盤其實是一種全向輪，可以實現任意方向上的行走。編碼器主要用于測量機器人走過的路程和當前的速度。綜合考慮，我們選增量式編碼器。增量式編碼器每轉一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數由光柵的分辨率和倍頻決定，可以實現多圈無限累加計數。

2 陀螺儀

用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或兩個軸的角運動檢測裝置稱為陀螺儀。主要用于檢測角位移和角速度，具有很高的靈敏度。陀螺儀存在誤差，所以使用前需要校正。陀螺儀的線性誤差可以通過實驗測量測出。即把陀螺儀放在旋轉平臺上一定角度，觀測其返回的值，判斷是否有誤差。若有誤差，則可以多次測量進行線性補償。

3 激光雷達

激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。工作原理：向目標發射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，目標進行探測、識別。利用激光雷達的這個原理，可以用它發出激光束掃射場地上固定位置的物體，通過返回來的激光束來測量機器人到固定位置物體距離，從而得出機器人在場地上的坐標。

4 定位算法

本定位方案采用雙碼盤-陀螺儀-激光雷達三位一體定位方式。兩個碼盤安裝在相互垂直的兩個方向上，用于測量機器人沿這兩個方向的位移。陀螺儀用于測量機器人行走時的角位移。由于碼盤長距離行走存在較大的誤差，當機器人到達預定位置附近（主要是碼盤定位不準）時，激光雷達用于輔助定位。在程序中設定采樣周期是5ms，每5ms讀取一次碼盤和陀螺儀數據。因為5ms內機器位移和角度變化量很小，可以近似用直線來處理。

如圖1所示，兩個碼盤相互垂直放置，設碼盤1的線速度為V1，碼盤中心與自身坐標系X軸的方向夾角為α；設碼盤2的線速度為V2，與碼盤1的夾角為β；自轉的角速度為w；θ為自身坐標系和世界坐標系的夾角，θ=機器人初始角+陀螺儀測得轉過角度。L1、L2分別為碼盤1、2到自身坐標系中心的距離。則（V1，V2，w）T與（VX，VY，ω）T關系見式（1）。

（1）

（2）

以機器人初始點中心0為參考點建立世界坐標系X0Y，取廣義坐標為q=（）T，其中（x，y）是機器人中心O在世界坐標系中的坐標。則世界坐標系和機器人自身坐標系之間關系見式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms讀取一次碼盤脈沖數和陀螺儀數據，得出碼盤速度V1、V2和機器人角速度ω，得出機器人在世界坐標系下的速度（），得出機器人在世界坐標系下的位移增量。把每次采樣的位移增量加起來就可以得出機器人的世界坐標。

由于碼盤定位不是特別準確，因此在機器人到達碼盤行走預定位置時，激光雷達通過掃描場地周圍物體來獲知機器人的具體位置，反饋給控制器，控制器調整機器人坐標，使機器人移動到達正確位置。

5 結語

目前使用單碼盤定位精度比較低，而且行走比較難控制，難以完成復雜路線的行走。碼盤-陀螺儀-激光雷達定位方式可以到達較高的精度，而且能夠實現復雜路線的行走。同時在實踐中我們也發現，陀螺儀存在漂移，使得定位有時不是很準。因此在使用陀螺儀時應該特別注意這點。

參考文獻

[1] 宋永瑞.移動機器人及其自主化技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 曹其新，張蕾.輪式自主移動機器人[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[3] 程寶山.萬向輪定位技術[J].機器人應用與技術，2009.

[4] 王立權.機器人創新設計與制作[M].北京：清華大學出版社，2006.

作者簡介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武漢大學學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。endprint