简析轮式人形机器人的底盘循迹原理及算法要点-AGV吧

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（轮毅电机）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8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8.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。

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），在磁条垂直的上方的灯（正常时约4个）依次会被点亮；若让磁传感器保持在磁条中心位置不变，上下垂直移动磁传感器（或磁传感器固定，移动磁条）时，在磁条垂直的上方的灯（正常时约4个）依次会被点亮，位置越高，亮的“灯点”越少，反之越多。可见它能感知到地面上的磁条位置。

省略前轮，简化后的底盘+磁条模型如图2所示。设计要素如下。

（1）决定轮子直径&类型的主要因数是底盘面积和载重；一般1.5m人形的底盘面积在0.5m直径左右，质量在50kg左右。通常轮子大一点好，走得平稳且过障碍能力强。前轮有效半径R，=R+r(R为万向轮的半径；r为万向轮的子本身的转弯半径）；后轮直径R，建议用16.51cm（最好采用无刷轮毂电机）。

（2）前后两轴的距离L尽可能大，以保证重心平稳，控制灵敏、反应快，在偏离尺寸d一样时，不同的L（如L2，L3）对应的姿态偏离角不一样，L越长，角度越小。

（3）后轮左右之间的距离W一般是尽可能宽一点，重心平稳，调节方便；从图2也可看出，偏斜距离D不变时，W越小，偏离角a越大，即后轮的调节能力或调控能力越强。

图中，磁导航传感器能检测到小车中心线俪离磁条中心的距离d，根据反正切三角函数a=arctan d/L计算，因此可以测量到底盘偏离角度a。

4 底盘循迹及算法要点

本文涉及的磁导航循迹原理及算法依据是根据具体的整机结构而定，其除了上述参数以外，在算法中还有以下细节要注意（约定：前方定义为人形面部的正前方，或驾驶员的正前方)：底盘两个驱动（主动）轮子总有差异，如给予两个轮子相同的激励，不一定能走出直线来，故每个轮子要有一个修正系数KJeft和Kright；转动惯量（空载或重载及速度）不同，过冲会有不同；数据采集及预处理，平滑及滤波；软起动过程，软启动的时长、软启动的步长。

5 循迹及算法简介

本文涉及的磁导航循迹原理及算法的理论依据是“自动调节原理”。该原理可以简单解释比喻为：当一个人骑上自行车，沿着一条直线骑行；刚上去时摇摆和偏离较大，随后较小，最后靠人的感觉判别“偏离参数”来调节、循迹，最后沿着预定线路行驶，调节越好，水平越高，摆动越小。过渡过程和调节曲线示意图如图3所示。其流程可以简单描述为行进、测量、调节三部曲的循环：行进1→测量→调节一行进2→测量→调节一行进3。

5.1采样和预处理

因条件、参数、环境差异太大，算法太多，下面给出一个简洁实用的预处理后的“查表方法”的循迹模型。图4为小车运行姿态偏向路径（磁条）右边时（参看图2)的数据检测，图4中左边为数据分析，右边为调节参数（或算法）。图5为小车运行姿态偏向路径（磁条）左边时（参看图2）的数据检测，图5中左边为数据分析，右边为调节参数（或算法）。

5.2响应时间及时序