简析轮式人形机器人的底盘循迹原理及算法要点

作者:佘承业;龚文华;张天羿 刊名:《电工技术》 上传者:常玉芬

【摘要】本文对轮式人形机器人机电参数、算法要点进行分析,提出了一个简洁的,快速的实用算法,并在实际课题项目中进行了验证和实施。运行1年多,达到了课题设计和项目研究的预期效果。

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0引言机器人是当今时代的一个热点,远远盖过以往热点的光环、热度和时间。其中,人形机器人是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志,也是综合国力衡量指标之一。其运动行走机构一般分为“足式”和“轮式”两种。轮式机器人一般可以分为独轮、两轮、三轮、四轮,当然还有六轮的形式。四轮和六轮形式有悬挂问题,需解决地面不平时某主动轮可能悬空的问题。悬挂的弹性装置可以用圆形弹簧或片状钢板构成。轮子还可以分为驱动轮和从动轮(万向轮)。驱动电机可以分为交流或直流方式;直流电机又分有刷和无刷两类。减速方式有直驱(轮毂电机)或齿轮减速方式。控制方式有交流伺服、直流伺服、PWM控制方式等;算法有开环、闭环、pid调节模式等。本文以4轮/两后驱为例,分析其运行控制的要点。1控制模型轮式机器人的运行机构,人们往往借用汽车“底盘”的称呼。控制模型和算法是要根据具体的“底盘”与道路和导航来定。即根据环境+硬件+软件平台来选取控制模型。导航的方式或工具是循迹,循迹是根据一条已知的或未知的、可见的或不可见的路径循路渐进,自动纠偏、自动修正、自动调节、按照给定的参数,自动达到目的地。当然广义的还要加上自动“避障”。2导航模式导航应用环境有室内与室外之分,导航的方式分为“有轨”(有线)和“无轨”(无线)两种。(1)“有轨”(有线)模式。该模式包括:电磁导航,即用导线、电磁波来导航;磁条(带)导航,在路面上贴一条30mm或50mm,厚1.2mm左右用磁粉做成的胶条,利用磁导航传感器测量偏差,引导机器人奔向目的地,(类比录音机磁带,扩展到磁钉)这是目前最经典的导航方式;磁钉、RF卡导航,在路面上买一些磁钉,或贴一些钱币卡,利用底盘上的陀螺仪等,判断地面坐标点,引导机器人奔向目的地。(2)“无轨”(无线)模式。该模式包括:激光导航,其原理是利用激光(光束水平面)测距的手段,预先扫描周边环境,建立一个对应的局部地图,给定一个原点,并赋予坐标,使用时,在地图上选定一个“目的地”点,一个算法+控制&驱动系统,实时循迹,引导机器人到达目的地;GPS导航,在空旷路面上,利用地球定位卫星信号,根据路面情况,加入避障,引导机器人奔向目的地;电磁波导航,一般是在室内的已知位置安装若干个发射装置,机器人上的接收装置接收到信号后,利用三角算法计算出方位,与设定路线比对,修正,引导机器人奔向目的地;视觉导航,其原理是利用摄像头捕捉的视频图像,分析图片中的位置信息,路况,与内置的地理环境内的预设的路径进行比对,调用算法+控制&驱动系统,实时循迹,引导机器人到达目的地。该方式最复杂,难度最大,但是是今后发展的方向。3四轮/两后驱磁导航的模型4轮/两后驱+磁导航目前应该是轮式机器人里面最普通、最主流的一种底盘模式。一般前面是两个万向轮,后面是两个主动轮。四个轮子的着地点面积应尽量大,重心居中,不易倾斜;设计要载重合理,转动灵活,运行平稳;前后两轮轴尽量远;磁导航传感器装在前面的中间位置,距离后轴尽量远一点。关于磁导航传感器(磁导航传感器的原理从略),磁条检测原理和模型如图1所示。磁条20~40 mm地面图1%%磁条检测原理和模型Fig.1 Principle of magnetic strip detection and the model目前国内磁导航传感器主流是8点或16点的,极性分N极或S极,均可选择,默认为N极,每个监测点间距离为10mm。当选择30mm宽厚约1.2mm的磁条贴在地上,将磁传感器水平垂放在磁条上方,然后水平或垂直移动时,可以发现:保持在30mm高度时,水平移动磁传感器(或磁传感器固定,移动磁条),在磁

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