基于航跡推算的移動(dòng)式機(jī)器人定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式機(jī)器人的智能工作，研究了航跡推算定位技術(shù)，采用陀螺儀、光電編碼器等傳感器對(duì)已知航線的機(jī)器人進(jìn)行行走定位。系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器和反饋模塊以及控制模塊等組成，其模塊化設(shè)計(jì)充分整合了系統(tǒng)資源，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)使用了伺服器驅(qū)動(dòng)電機(jī)減小行走誤差，成本低廉，可移植性強(qiáng)，能很好地運(yùn)用于工業(yè)加工機(jī)器人和特種作業(yè)機(jī)器人。
關(guān)鍵詞：航跡推算；陀螺儀；光電編碼器；伺服器；模塊化設(shè)計(jì)

自工業(yè)革命以來機(jī)械被廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。隨著人類社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，人們?cè)絹碓叫枰咧悄?、高精度的機(jī)器完成各類繁重的、高精度、高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，于是，完成某些特定任務(wù)的機(jī)器——機(jī)器人逐步發(fā)展起來。移動(dòng)式機(jī)器人需完成某些任務(wù)，其關(guān)鍵在于定位，即機(jī)器人必須知道自己現(xiàn)在的位置和將要“行走”的方位。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)用的環(huán)境不同，定位精度也大不相同，現(xiàn)有的定位技術(shù)大致可分為航跡推算、信號(hào)燈定位、基于地圖的定位、路標(biāo)定位以及視覺定位等幾大類。
本文闡述的是一種運(yùn)用多種傳感器的航跡推算定位技術(shù)。該種定位方式適用于已知航線的行走，能夠準(zhǔn)確的從出發(fā)地快速行進(jìn)到目的地，具有良好的嵌套性，可以成為某些大型定位系統(tǒng)的基本單元，同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用航跡推算原理對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人進(jìn)行定位，航跡推算即利用外部傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)位置和運(yùn)動(dòng)方向的估計(jì)，短期定位精度高。航跡推算技術(shù)的關(guān)鍵是需測量出機(jī)器人單位時(shí)間運(yùn)動(dòng)的距離以及這段時(shí)間內(nèi)機(jī)器人航向的變化。在本設(shè)計(jì)中，主要采用編碼盤和陀螺儀進(jìn)行航跡推算來實(shí)現(xiàn)定位，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器和反饋模塊以及控制模塊等組成，原理框圖如圖1所示。

為提高抗干擾能力，系統(tǒng)各模塊之間相互獨(dú)立使用ISP串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每個(gè)模塊都與控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)單元，控制系統(tǒng)通過算法整合，從而降低了各個(gè)單元之間的干擾和誤差的累積。控制系統(tǒng)發(fā)出路線的整體行走方案，再由各個(gè)閉環(huán)單元檢測是否按原定計(jì)劃實(shí)施，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤和誤差時(shí)，系統(tǒng)通過采集的數(shù)據(jù)即刻做出實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位。
1．2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以看成是一個(gè)平面坐標(biāo)定位，在平面內(nèi)任何一個(gè)點(diǎn)的速度可以表示為線速度V和角速度V，其坐標(biāo)為(x，y)。當(dāng)一個(gè)物體在平面內(nèi)從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí)，只要畫出運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以計(jì)算出在該軌跡上任一點(diǎn)的速度和坐標(biāo)，以進(jìn)行定位。假設(shè)某一運(yùn)動(dòng)軌跡方程已知，則需要按其軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定位，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。