【移動機(jī)器人的系統(tǒng)模型分析案例2200字】

移動機(jī)器人的系統(tǒng)模型分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9239移動機(jī)器人的系統(tǒng)模型分析案例 1270891.1下位機(jī)、樹莓派與控制端通信 1180811.2阿克曼運(yùn)動學(xué)模型 2130931.3里程計模型 6322361.4小結(jié) 8移動機(jī)器人按移動方式可以分為：輪式移動機(jī)器人、步行移動機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、履帶式移動機(jī)器人、爬行機(jī)器人等ADDINNE.Ref.{D9CAC36E-C179-4934-B41F-1569C9FF856D}[9]。本文選用的是使用最廣泛、穩(wěn)定性較好和資料豐富的輪式移動機(jī)器人。為了貼合室內(nèi)的工作環(huán)境，本文選擇和普通家用汽車運(yùn)動學(xué)模型的阿克曼理論設(shè)計的移動機(jī)器人。1.1下位機(jī)、樹莓派與控制端通信各個終端設(shè)備通信方式和通信內(nèi)容如圖3-1所示圖3-1三端通信示意圖通信內(nèi)容包含以下內(nèi)容：STM32向樹莓派主要發(fā)送數(shù)據(jù)：機(jī)器人XYZ三軸速度、IMU三軸加速度、三軸角速度、電池電壓等。樹莓派向STM32主要發(fā)送數(shù)據(jù)：機(jī)器人的XYZ軸各個軸方向上的目標(biāo)速度。機(jī)器人搭載的STM32需要將樹莓派發(fā)送的XYZ軸上的目標(biāo)速度通過運(yùn)動模型分解為直流電機(jī)的具體數(shù)值和舵機(jī)的控制數(shù)值。STM32還需要按20Hz的頻率發(fā)送給樹莓派機(jī)器人的運(yùn)動信息，將機(jī)器人的電機(jī)編碼器收集的信息整理成以電機(jī)編碼器角度的XYZ三軸運(yùn)動速度，然后讀取IMU的三軸加速度信息以及三軸的角速度信息，再測量電池的電壓，最后將數(shù)據(jù)編排成24字節(jié)的短報文通過串口3發(fā)送給樹莓派。其中如何利用運(yùn)動學(xué)模型分解出目標(biāo)速度和如何處理編碼器和IMU數(shù)據(jù)都將在本章進(jìn)行詳細(xì)介紹。本文的控制端是在筆記本上的Ubuntu桌面系統(tǒng)，通過WIFI連接與樹莓派處于同一網(wǎng)段下。通過ROS的多機(jī)通信機(jī)制，將樹莓派上位機(jī)作為主機(jī)，運(yùn)行master主節(jié)點(diǎn)。在建圖中，需要虛擬機(jī)作為從機(jī)查看樹莓派上運(yùn)行的話題，并發(fā)出控制命令控制機(jī)器人搭載傳感器收集環(huán)境信息，并查看建圖效果。在導(dǎo)航中，控制端將作為導(dǎo)航路徑點(diǎn)和導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)發(fā)布者，向樹莓派發(fā)送導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)等信息。1.2阿克曼運(yùn)動學(xué)模型分析機(jī)器人的移動方式是移動機(jī)器人的基礎(chǔ)，控制機(jī)器人需要先了解如何將電機(jī)提供的動力通過舵機(jī)作用到不同方向上。先從機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型入手，才能讓機(jī)器人達(dá)到命令的運(yùn)動狀態(tài)。以圖3-2的兩軸車為例，阿克曼理論轉(zhuǎn)向特性，是以機(jī)器人小車前輪定位角都等于零、行走系統(tǒng)為剛性、機(jī)器人行駛過程中無側(cè)向力為假設(shè)條件的ADDINNE.Ref.{73B01458-BB0C-4E42-A8F2-F5F54F4B017E}[10]。圖3-2阿克曼運(yùn)動學(xué)模型示意圖機(jī)器人阿克曼運(yùn)動底盤的轉(zhuǎn)向特性的特點(diǎn)為：機(jī)器人小車沿著前后直線行駛時，兩側(cè)車輪相互平行，并平行于前后行駛方向機(jī)器人小車轉(zhuǎn)向行駛過程中，機(jī)器人整體繞一個瞬時中心點(diǎn)做圓周滾動轉(zhuǎn)向行駛過程中，而且前內(nèi)輪與前外輪的轉(zhuǎn)角滿足以下關(guān)系式ADDINNE.Ref.{73B01458-BB0C-4E42-A8F2-F5F54F4B017E}[10]：(3-1)其中β是小車前外輪轉(zhuǎn)角，α是小車前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，K為兩主銷中心距，L是軸距由于內(nèi)外側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)向半徑不同，因此有(3-2)(3-3)則前輪平均轉(zhuǎn)角(3-4)內(nèi)外轉(zhuǎn)角之差(3-5)因此，兩個前輪的轉(zhuǎn)向角的差異Δδ與平均轉(zhuǎn)向角δ的平方成正比。根據(jù)平均轉(zhuǎn)角公式3-4，可以將兩個前輪抽象成一個在中間的平均轉(zhuǎn)角的輪子如圖3-3所示，這樣簡化了模型方便進(jìn)行計算。圖3-3前輪平均轉(zhuǎn)角運(yùn)動學(xué)模型示意圖設(shè)小車前進(jìn)速度V，左輪速度Vl,右輪速度Vr。設(shè)瞬時中心點(diǎn)O到左輪中心距離為Rl，O(3-6)帶入公式3-4,和后輪到瞬時中心點(diǎn)距離(3-7)(3-8)可得左右輪各自速度(3-9)(3-10)經(jīng)過以上推導(dǎo)，獲得了機(jī)器人的兩個前輪之間存在的一定夾角這個結(jié)論。在裝配機(jī)器人前輪時，根據(jù)前后輪軸距離和左右兩輪距離計算出這個夾角，并讓兩個前輪保持這一夾角。當(dāng)這個夾角保持好后，舵機(jī)只需要控制平均的轉(zhuǎn)向角就可以很好的控制機(jī)器人進(jìn)行移動。上位機(jī)會傳輸XYZ三軸的目標(biāo)速度作為控制指令，XYZ三軸關(guān)系如圖所示3-3左上角所示，由XYZ三軸速度分量計算左右輪速度和舵機(jī)擺動角度偽代碼如下：算法3-1由三軸速度計算電機(jī)和舵機(jī)控制目標(biāo)因?yàn)榍拜営伤倪B桿機(jī)構(gòu)ADDINNE.Ref.{CB0E6759-6DAA-4FE7-8249-EC262A7B3074}[10]進(jìn)行控制，所以前輪在直行時不會平行與后輪會帶來一定的摩擦影響電機(jī)移動。為了減少摩檫力帶來的影響機(jī)器人還需要里程計來控制誤差。機(jī)器人移動能夠符合給定目標(biāo)，需要引入里程計模型。1.3里程計模型機(jī)器人的里程計（odometry）數(shù)據(jù)來自于慣性傳感器（IMU）數(shù)據(jù)和電機(jī)的霍爾編碼器。摩爾編碼器根據(jù)上文提到的運(yùn)動學(xué)模型，由讀取頻率和輪子周長和編碼器精度進(jìn)行解碼。MotorLeftEncoder=左輪編碼器原始數(shù)值*讀取頻率*(輪子周長/編碼器精度)右輪同理可以獲得解碼后的編碼值，將解碼值代入公式3-9和3-10，可以得到實(shí)際的XYZ各軸速度

(3-11)(3-12)(3-13)這里K是后輪兩輪中心距。機(jī)器人的運(yùn)動方式不直接作用于Y軸方向，所以Y軸近似于沒有速度。為了傳輸方便，會將速度信息乘一千倍，以截取小數(shù)點(diǎn)后三位作為一個整數(shù)進(jìn)行傳輸。相應(yīng)接收到這個數(shù)據(jù)時也會縮小一千倍。處理完了里程計數(shù)據(jù)，接下來需要處理IMU提供的信息。MPU9250的三軸于ROS系統(tǒng)的三軸方向不一致，如圖3-4所示。圖3-4IMU與ROS坐標(biāo)系關(guān)系圖因此需要將Y軸數(shù)據(jù)映射到ROS的X軸，將X軸取反映射到ROS的Y軸上。當(dāng)樹莓派接收到以上編碼器數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)時，只需要縮小一千倍即可。通過讀取當(dāng)前的ROS時間戳和上次的時間戳，獲得ROS系統(tǒng)下的采用時間。通過編碼器數(shù)據(jù)如下計算獲得機(jī)器人位移。(3-14)(3-15)(3-16)以上過程需要不斷循環(huán)累計機(jī)器人的位移，再ROS中發(fā)布里程計相關(guān)信息，創(chuàng)建一個里程計發(fā)布話題將接送的信息填寫到Odom里程計話題的消息類型中對于的成員變量里。IMU數(shù)據(jù)通過將XYZ三軸的速度和線速度進(jìn)行四元數(shù)解算，獲得當(dāng)前的機(jī)器人的四元數(shù)描述的位姿信息。創(chuàng)建一個IMU數(shù)據(jù)發(fā)布話題，填寫由四元數(shù)解算獲得的四元數(shù)數(shù)據(jù)ADDINNE.Ref.{B2780BA1-8A75-416A-AF6D-CD62DFF4E134}[11]、再填寫三軸的角速度和線性加速度不需要再處理直接填入