浅谈全向轮机器人三位一体定位方法

摘要：在亚太机器人国内选拔赛中，各大高校制作的机器人都是全向轮机器人，基于全向轮定位使用最多的是码盘定位。但码盘行走存在误差，适合于短距离的移动。对于长距离的行走，误差比较大。因此，文章提供一种新式的定位方法，即码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方法。码盘计算机器人行走距离，陀螺仪给出机器人当前姿态角，激光雷达用于辅助定位。

关键词：全向轮；码盘；陀螺仪；激光雷达

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比赛中，轮式机器人车轮一般都选用全向轮。基于全向轮的底盘定位大多是码盘定位。机器人在行走的过程中有平动，也有转动，仅靠码盘来定位存在很大的误差，定位和姿态角计算也比较困难。因此，本文提供一种新式的定位方法。

1 码盘-编码器

码盘其实是一种全向轮，可以实现任意方向上的行走。编码器主要用于测量机器人走过的路程和当前的速度。综合考虑，我们选增量式编码器。增量式编码器每转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由光栅的分辨率和倍频决定，可以实现多圈无限累加计数。

2 陀螺仪

用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置称为陀螺仪。主要用于检测角位移和角速度，具有很高的灵敏度。陀螺仪存在误差，所以使用前需要校正。陀螺仪的线性误差可以通过实验测量测出。即把陀螺仪放在旋转平台上一定角度，观测其返回的值，判断是否有误差。若有误差，则可以多次测量进行线性补偿。

3 激光雷达

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。工作原理：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，目标进行探测、识别。利用激光雷达的这个原理，可以用它发出激光束扫射场地上固定位置的物体，通过返回来的激光束来测量机器人到固定位置物体距离，从而得出机器人在场地上的坐标。

4 定位算法

本定位方案采用双码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方式。两个码盘安装在相互垂直的两个方向上，用于测量机器人沿这两个方向的位移。陀螺仪用于测量机器人行走时的角位移。由于码盘长距离行走存在较大的误差，当机器人到达预定位置附近（主要是码盘定位不准）时，激光雷达用于辅助定位。在程序中设定采样周期是5ms，每5ms读取一次码盘和陀螺仪数据。因为5ms内机器位移和角度变化量很小，可以近似用直线来处理。

如图1所示，两个码盘相互垂直放置，设码盘1的线速度为V1，码盘中心与自身坐标系X轴的方向夹角为α；设码盘2的线速度为V2，与码盘1的夹角为β；自转的角速度为w；θ为自身坐标系和世界坐标系的夹角，θ=机器人初始角+陀螺仪测得转过角度。L1、L2分别为码盘1、2到自身坐标系中心的距离。则（V1，V2，w）T与（VX，VY，ω）T关系见式（1）。

（1）

（2）

以机器人初始点中心0为参考点建立世界坐标系X0Y，取广义坐标为q=（）T，其中（x，y）是机器人中心O在世界坐标系中的坐标。则世界坐标系和机器人自身坐标系之间关系见式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms读取一次码盘脉冲数和陀螺仪数据，得出码盘速度V1、V2和机器人角速度ω，得出机器人在世界坐标系下的速度（），得出机器人在世界坐标系下的位移增量。把每次采样的位移增量加起来就可以得出机器人的世界坐标。

由于码盘定位不是特别准确，因此在机器人到达码盘行走预定位置时，激光雷达通过扫描场地周围物体来获知机器人的具体位置，反馈给控制器，控制器调整机器人坐标，使机器人移动到达正确位置。

5 结语

目前使用单码盘定位精度比较低，而且行走比较难控制，难以完成复杂路线的行走。码盘-陀螺仪-激光雷达定位方式可以到达较高的精度，而且能够实现复杂路线的行走。同时在实践中我们也发现，陀螺仪存在漂移，使得定位有时不是很准。因此在使用陀螺仪时应该特别注意这点。

参考文献

[1] 宋永瑞.移动机器人及其自主化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 曹其新，张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[3] 程宝山.万向轮定位技术[J].机器人应用与技术，2009.

[4] 王立权.机器人创新设计与制作[M].北京：清华大学出版社，2006.

作者简介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武汉大学学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。endprint

摘要：在亚太机器人国内选拔赛中，各大高校制作的机器人都是全向轮机器人，基于全向轮定位使用最多的是码盘定位。但码盘行走存在误差，适合于短距离的移动。对于长距离的行走，误差比较大。因此，文章提供一种新式的定位方法，即码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方法。码盘计算机器人行走距离，陀螺仪给出机器人当前姿态角，激光雷达用于辅助定位。

关键词：全向轮；码盘；陀螺仪；激光雷达

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比赛中，轮式机器人车轮一般都选用全向轮。基于全向轮的底盘定位大多是码盘定位。机器人在行走的过程中有平动，也有转动，仅靠码盘来定位存在很大的误差，定位和姿态角计算也比较困难。因此，本文提供一种新式的定位方法。

1 码盘-编码器

码盘其实是一种全向轮，可以实现任意方向上的行走。编码器主要用于测量机器人走过的路程和当前的速度。综合考虑，我们选增量式编码器。增量式编码器每转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由光栅的分辨率和倍频决定，可以实现多圈无限累加计数。

2 陀螺仪

用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置称为陀螺仪。主要用于检测角位移和角速度，具有很高的灵敏度。陀螺仪存在误差，所以使用前需要校正。陀螺仪的线性误差可以通过实验测量测出。即把陀螺仪放在旋转平台上一定角度，观测其返回的值，判断是否有误差。若有误差，则可以多次测量进行线性补偿。

3 激光雷达

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。工作原理：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，目标进行探测、识别。利用激光雷达的这个原理，可以用它发出激光束扫射场地上固定位置的物体，通过返回来的激光束来测量机器人到固定位置物体距离，从而得出机器人在场地上的坐标。

4 定位算法

本定位方案采用双码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方式。两个码盘安装在相互垂直的两个方向上，用于测量机器人沿这两个方向的位移。陀螺仪用于测量机器人行走时的角位移。由于码盘长距离行走存在较大的误差，当机器人到达预定位置附近（主要是码盘定位不准）时，激光雷达用于辅助定位。在程序中设定采样周期是5ms，每5ms读取一次码盘和陀螺仪数据。因为5ms内机器位移和角度变化量很小，可以近似用直线来处理。

如图1所示，两个码盘相互垂直放置，设码盘1的线速度为V1，码盘中心与自身坐标系X轴的方向夹角为α；设码盘2的线速度为V2，与码盘1的夹角为β；自转的角速度为w；θ为自身坐标系和世界坐标系的夹角，θ=机器人初始角+陀螺仪测得转过角度。L1、L2分别为码盘1、2到自身坐标系中心的距离。则（V1，V2，w）T与（VX，VY，ω）T关系见式（1）。

（1）

（2）

以机器人初始点中心0为参考点建立世界坐标系X0Y，取广义坐标为q=（）T，其中（x，y）是机器人中心O在世界坐标系中的坐标。则世界坐标系和机器人自身坐标系之间关系见式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms读取一次码盘脉冲数和陀螺仪数据，得出码盘速度V1、V2和机器人角速度ω，得出机器人在世界坐标系下的速度（），得出机器人在世界坐标系下的位移增量。把每次采样的位移增量加起来就可以得出机器人的世界坐标。

由于码盘定位不是特别准确，因此在机器人到达码盘行走预定位置时，激光雷达通过扫描场地周围物体来获知机器人的具体位置，反馈给控制器，控制器调整机器人坐标，使机器人移动到达正确位置。

5 结语

目前使用单码盘定位精度比较低，而且行走比较难控制，难以完成复杂路线的行走。码盘-陀螺仪-激光雷达定位方式可以到达较高的精度，而且能够实现复杂路线的行走。同时在实践中我们也发现，陀螺仪存在漂移，使得定位有时不是很准。因此在使用陀螺仪时应该特别注意这点。

参考文献

[1] 宋永瑞.移动机器人及其自主化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 曹其新，张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[3] 程宝山.万向轮定位技术[J].机器人应用与技术，2009.

[4] 王立权.机器人创新设计与制作[M].北京：清华大学出版社，2006.

作者简介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武汉大学学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。endprint

摘要：在亚太机器人国内选拔赛中，各大高校制作的机器人都是全向轮机器人，基于全向轮定位使用最多的是码盘定位。但码盘行走存在误差，适合于短距离的移动。对于长距离的行走，误差比较大。因此，文章提供一种新式的定位方法，即码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方法。码盘计算机器人行走距离，陀螺仪给出机器人当前姿态角，激光雷达用于辅助定位。

关键词：全向轮；码盘；陀螺仪；激光雷达

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0078-02

在各大比赛中，轮式机器人车轮一般都选用全向轮。基于全向轮的底盘定位大多是码盘定位。机器人在行走的过程中有平动，也有转动，仅靠码盘来定位存在很大的误差，定位和姿态角计算也比较困难。因此，本文提供一种新式的定位方法。

1 码盘-编码器

码盘其实是一种全向轮，可以实现任意方向上的行走。编码器主要用于测量机器人走过的路程和当前的速度。综合考虑，我们选增量式编码器。增量式编码器每转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由光栅的分辨率和倍频决定，可以实现多圈无限累加计数。

2 陀螺仪

用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置称为陀螺仪。主要用于检测角位移和角速度，具有很高的灵敏度。陀螺仪存在误差，所以使用前需要校正。陀螺仪的线性误差可以通过实验测量测出。即把陀螺仪放在旋转平台上一定角度，观测其返回的值，判断是否有误差。若有误差，则可以多次测量进行线性补偿。

3 激光雷达

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。工作原理：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，目标进行探测、识别。利用激光雷达的这个原理，可以用它发出激光束扫射场地上固定位置的物体，通过返回来的激光束来测量机器人到固定位置物体距离，从而得出机器人在场地上的坐标。

4 定位算法

本定位方案采用双码盘-陀螺仪-激光雷达三位一体定位方式。两个码盘安装在相互垂直的两个方向上，用于测量机器人沿这两个方向的位移。陀螺仪用于测量机器人行走时的角位移。由于码盘长距离行走存在较大的误差，当机器人到达预定位置附近（主要是码盘定位不准）时，激光雷达用于辅助定位。在程序中设定采样周期是5ms，每5ms读取一次码盘和陀螺仪数据。因为5ms内机器位移和角度变化量很小，可以近似用直线来处理。

如图1所示，两个码盘相互垂直放置，设码盘1的线速度为V1，码盘中心与自身坐标系X轴的方向夹角为α；设码盘2的线速度为V2，与码盘1的夹角为β；自转的角速度为w；θ为自身坐标系和世界坐标系的夹角，θ=机器人初始角+陀螺仪测得转过角度。L1、L2分别为码盘1、2到自身坐标系中心的距离。则（V1，V2，w）T与（VX，VY，ω）T关系见式（1）。

（1）

（2）

以机器人初始点中心0为参考点建立世界坐标系X0Y，取广义坐标为q=（）T，其中（x，y）是机器人中心O在世界坐标系中的坐标。则世界坐标系和机器人自身坐标系之间关系见式（2）。由（1）、（2）

式得：

（3）

每5ms读取一次码盘脉冲数和陀螺仪数据，得出码盘速度V1、V2和机器人角速度ω，得出机器人在世界坐标系下的速度（），得出机器人在世界坐标系下的位移增量。把每次采样的位移增量加起来就可以得出机器人的世界坐标。

由于码盘定位不是特别准确，因此在机器人到达码盘行走预定位置时，激光雷达通过扫描场地周围物体来获知机器人的具体位置，反馈给控制器，控制器调整机器人坐标，使机器人移动到达正确位置。

5 结语

目前使用单码盘定位精度比较低，而且行走比较难控制，难以完成复杂路线的行走。码盘-陀螺仪-激光雷达定位方式可以到达较高的精度，而且能够实现复杂路线的行走。同时在实践中我们也发现，陀螺仪存在漂移，使得定位有时不是很准。因此在使用陀螺仪时应该特别注意这点。

参考文献

[1] 宋永瑞.移动机器人及其自主化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 曹其新，张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[3] 程宝山.万向轮定位技术[J].机器人应用与技术，2009.

[4] 王立权.机器人创新设计与制作[M].北京：清华大学出版社，2006.

作者简介：唐松（1992—），男，江西宜春人，武汉大学学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。endprint