摘要：在亞太機(jī)器人國內(nèi)選拔賽中，各大高校制作的機(jī)器人都是全向輪機(jī)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(dá)三位一體定位方法。碼盤計算機(jī)器人行走距離，陀螺儀給出機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)角，激光雷達(dá)用于輔助定位。

關(guān)鍵詞：全向輪；碼盤；陀螺儀；激光雷達(dá)

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

在各大比賽中，輪式機(jī)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(jī)器人在行走的過程中有平動，也有轉(zhuǎn)動，僅靠碼盤來定位存在很大的誤差，定位和姿態(tài)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(xiàn)任意方向上的行走。編碼器主要用于測量機(jī)器人走過的路程和當(dāng)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(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由光柵的分辨率和倍頻決定，可以實現(xiàn)多圈無限累加計數(shù)。

2 陀螺儀

用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行線性補(bǔ)償。

3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。工作原理：向目標(biāo)發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，目標(biāo)進(jìn)行探測、識別。利用激光雷達(dá)的這個原理，可以用它發(fā)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(jī)器人到固定位置物體距離，從而得出機(jī)器人在場地上的坐標(biāo)。

4 定位算法

本定位方案采用雙碼盤-陀螺儀-激光雷達(dá)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(jī)器人沿這兩個方向的位移。陀螺儀用于測量機(jī)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(dāng)機(jī)器人到達(dá)預(yù)定位置附近（主要是碼盤定位不準(zhǔn)）時，激光雷達(dá)用于輔助定位。在程序中設(shè)定采樣周期是5ms，每5ms讀取一次碼盤和陀螺儀數(shù)據(jù)。因為5ms內(nèi)機(jī)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(shè)碼盤1的線速度為V1，碼盤中心與自身坐標(biāo)系X軸的方向夾角為α；設(shè)碼盤2的線速度為V2，與碼盤1的夾角為β；自轉(zhuǎn)的角速度為w；θ為自身坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的夾角，θ=機(jī)器人初始角+陀螺儀測得轉(zhuǎn)過角度。L1、L2分別為碼盤1、2到自身坐標(biāo)系中心的距離。則（V1，V2，w）T與（VX，VY，ω）T關(guān)系見式（1）。

（1）

（2）

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

式得：

（3）

每5ms讀取一次碼盤脈沖數(shù)和陀螺儀數(shù)據(jù)，得出碼盤速度V1、V2和機(jī)器人角速度ω，得出機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的速度（），得出機(jī)器人在世界坐標(biāo)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(jī)器人的世界坐標(biāo)。

由于碼盤定位不是特別準(zhǔn)確，因此在機(jī)器人到達(dá)碼盤行走預(yù)定位置時，激光雷達(dá)通過掃描場地周圍物體來獲知機(jī)器人的具體位置，反饋給控制器，控制器調(diào)整機(jī)器人坐標(biāo)，使機(jī)器人移動到達(dá)正確位置。

5 結(jié)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(fù)雜路線的行走。碼盤-陀螺儀-激光雷達(dá)定位方式可以到達(dá)較高的精度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜路線的行走。同時在實踐中我們也發(fā)現(xiàn)，陀螺儀存在漂移，使得定位有時不是很準(zhǔn)。因此在使用陀螺儀時應(yīng)該特別注意這點。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋永瑞.移動機(jī)器人及其自主化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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

[3] 程寶山.萬向輪定位技術(shù)[J].機(jī)器人應(yīng)用與技術(shù)，2009.

[4] 王立權(quán).機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武漢大學(xué)學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。endprint

摘要：在亞太機(jī)器人國內(nèi)選拔賽中，各大高校制作的機(jī)器人都是全向輪機(jī)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(dá)三位一體定位方法。碼盤計算機(jī)器人行走距離，陀螺儀給出機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)角，激光雷達(dá)用于輔助定位。

關(guān)鍵詞：全向輪；碼盤；陀螺儀；激光雷達(dá)

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

在各大比賽中，輪式機(jī)器人車輪一般都選用全向輪?；谌蜉喌牡妆P定位大多是碼盤定位。機(jī)器人在行走的過程中有平動，也有轉(zhuǎn)動，僅靠碼盤來定位存在很大的誤差，定位和姿態(tài)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(xiàn)任意方向上的行走。編碼器主要用于測量機(jī)器人走過的路程和當(dāng)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(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由光柵的分辨率和倍頻決定，可以實現(xiàn)多圈無限累加計數(shù)。

2 陀螺儀

用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行線性補(bǔ)償。

3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。工作原理：向目標(biāo)發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，目標(biāo)進(jìn)行探測、識別。利用激光雷達(dá)的這個原理，可以用它發(fā)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(jī)器人到固定位置物體距離，從而得出機(jī)器人在場地上的坐標(biāo)。

4 定位算法

本定位方案采用雙碼盤-陀螺儀-激光雷達(dá)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(jī)器人沿這兩個方向的位移。陀螺儀用于測量機(jī)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(dāng)機(jī)器人到達(dá)預(yù)定位置附近（主要是碼盤定位不準(zhǔn)）時，激光雷達(dá)用于輔助定位。在程序中設(shè)定采樣周期是5ms，每5ms讀取一次碼盤和陀螺儀數(shù)據(jù)。因為5ms內(nèi)機(jī)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(shè)碼盤1的線速度為V1，碼盤中心與自身坐標(biāo)系X軸的方向夾角為α；設(shè)碼盤2的線速度為V2，與碼盤1的夾角為β；自轉(zhuǎn)的角速度為w；θ為自身坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的夾角，θ=機(jī)器人初始角+陀螺儀測得轉(zhuǎn)過角度。L1、L2分別為碼盤1、2到自身坐標(biāo)系中心的距離。則（V1，V2，w）T與（VX，VY，ω）T關(guān)系見式（1）。

（1）

（2）

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

式得：

（3）

每5ms讀取一次碼盤脈沖數(shù)和陀螺儀數(shù)據(jù)，得出碼盤速度V1、V2和機(jī)器人角速度ω，得出機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的速度（），得出機(jī)器人在世界坐標(biāo)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(jī)器人的世界坐標(biāo)。

由于碼盤定位不是特別準(zhǔn)確，因此在機(jī)器人到達(dá)碼盤行走預(yù)定位置時，激光雷達(dá)通過掃描場地周圍物體來獲知機(jī)器人的具體位置，反饋給控制器，控制器調(diào)整機(jī)器人坐標(biāo)，使機(jī)器人移動到達(dá)正確位置。

5 結(jié)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(fù)雜路線的行走。碼盤-陀螺儀-激光雷達(dá)定位方式可以到達(dá)較高的精度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜路線的行走。同時在實踐中我們也發(fā)現(xiàn)，陀螺儀存在漂移，使得定位有時不是很準(zhǔn)。因此在使用陀螺儀時應(yīng)該特別注意這點。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋永瑞.移動機(jī)器人及其自主化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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

[3] 程寶山.萬向輪定位技術(shù)[J].機(jī)器人應(yīng)用與技術(shù)，2009.

[4] 王立權(quán).機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武漢大學(xué)學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。endprint

摘要：在亞太機(jī)器人國內(nèi)選拔賽中，各大高校制作的機(jī)器人都是全向輪機(jī)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(dá)三位一體定位方法。碼盤計算機(jī)器人行走距離，陀螺儀給出機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)角，激光雷達(dá)用于輔助定位。

關(guān)鍵詞：全向輪；碼盤；陀螺儀；激光雷達(dá)

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

在各大比賽中，輪式機(jī)器人車輪一般都選用全向輪?；谌蜉喌牡妆P定位大多是碼盤定位。機(jī)器人在行走的過程中有平動，也有轉(zhuǎn)動，僅靠碼盤來定位存在很大的誤差，定位和姿態(tài)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(xiàn)任意方向上的行走。編碼器主要用于測量機(jī)器人走過的路程和當(dāng)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(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由光柵的分辨率和倍頻決定，可以實現(xiàn)多圈無限累加計數(shù)。

2 陀螺儀

用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行線性補(bǔ)償。

3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。工作原理：向目標(biāo)發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，目標(biāo)進(jìn)行探測、識別。利用激光雷達(dá)的這個原理，可以用它發(fā)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(jī)器人到固定位置物體距離，從而得出機(jī)器人在場地上的坐標(biāo)。

4 定位算法

本定位方案采用雙碼盤-陀螺儀-激光雷達(dá)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(jī)器人沿這兩個方向的位移。陀螺儀用于測量機(jī)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(dāng)機(jī)器人到達(dá)預(yù)定位置附近（主要是碼盤定位不準(zhǔn)）時，激光雷達(dá)用于輔助定位。在程序中設(shè)定采樣周期是5ms，每5ms讀取一次碼盤和陀螺儀數(shù)據(jù)。因為5ms內(nèi)機(jī)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(shè)碼盤1的線速度為V1，碼盤中心與自身坐標(biāo)系X軸的方向夾角為α；設(shè)碼盤2的線速度為V2，與碼盤1的夾角為β；自轉(zhuǎn)的角速度為w；θ為自身坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的夾角，θ=機(jī)器人初始角+陀螺儀測得轉(zhuǎn)過角度。L1、L2分別為碼盤1、2到自身坐標(biāo)系中心的距離。則（V1，V2，w）T與（VX，VY，ω）T關(guān)系見式（1）。

（1）

（2）

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

式得：

（3）

每5ms讀取一次碼盤脈沖數(shù)和陀螺儀數(shù)據(jù)，得出碼盤速度V1、V2和機(jī)器人角速度ω，得出機(jī)器人在世界坐標(biāo)系下的速度（），得出機(jī)器人在世界坐標(biāo)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(jī)器人的世界坐標(biāo)。

由于碼盤定位不是特別準(zhǔn)確，因此在機(jī)器人到達(dá)碼盤行走預(yù)定位置時，激光雷達(dá)通過掃描場地周圍物體來獲知機(jī)器人的具體位置，反饋給控制器，控制器調(diào)整機(jī)器人坐標(biāo)，使機(jī)器人移動到達(dá)正確位置。

5 結(jié)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(fù)雜路線的行走。碼盤-陀螺儀-激光雷達(dá)定位方式可以到達(dá)較高的精度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜路線的行走。同時在實踐中我們也發(fā)現(xiàn)，陀螺儀存在漂移，使得定位有時不是很準(zhǔn)。因此在使用陀螺儀時應(yīng)該特別注意這點。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋永瑞.移動機(jī)器人及其自主化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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

[3] 程寶山.萬向輪定位技術(shù)[J].機(jī)器人應(yīng)用與技術(shù)，2009.

[4] 王立權(quán).機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武漢大學(xué)學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。endprint