机器人机动技术与运动控制
2. 当前机器人处于什么位置,目标点在哪里? ---Current Location 的 “定位” 。----机器人的定位。
3. 以什么样的方式,沿什么样的路径,向目标点运动?----机 器人的驱动控制或导航。
Motion Control
定位的目标是:任何时刻t下,机器人在全局场地 (运动平面上)的坐标值(Xc,Yc,θc)。
关于减速机,用于提升电机输出扭矩: * 行星减速机 * RV减速机:机器人关节最好的减速机 * 蜗轮蜗杆减速机
Motion Control Sensors
Gyroscope
角动量守恒:一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变 的。Gyroscope基于此原理来传感/维持方向。 Gyroscope由位于轴心可旋转的轮子构成。 陀轮一旦开始旋转,由于陀轮的角动 量,陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。读取轴所指示的方向(检测扭矩),即可获 得角加速度。 Gyroscope多用于飞机导航、定位等系统,在移动机器人中普遍使用。
Motion Control & Locomotion of Robot
Motion Control
一切形式的移动式机器人运行时,运动控制算法都必须考虑以下三 个问题: 1. 坐标系如何确定?(机构的局部坐标系,全局坐标,世界 坐标系); ----怎样去观察运动才是合理的,符合要求的 ? 2. ----这与机器人运动形式和精度有关,如结构场地的运 动,旋翼飞行器在三维空间的运动;
Motion Control
积分算法的累积误差
Motion Control
Filtering of MEMS Gyroscope:
Kalman滤波是“optimal recursive data processing algorithm(最 优化自回归数据处理算法)”。
可尽可能减少系统噪声影响,从含有噪声的测量值中得到系统状态 的最优估计, 用在机器人导航和控制用来预估位姿。
Motion Control
Motion Control
Motion Control Sensors
Encoder
• 将几何位移量转换成脉冲信号的传感器,是应用广泛的角位移传感元件。 • Encoder由光栅盘和光电检测元件组成。机器人结构中,Encoder与被 测轴同轴,电动机旋转时光栅盘与电机同步旋转。光敏二极管等电子元件组 成的检测装置检测,输出脉冲信号,原理如图。 • Encoder 输出脉冲的数,反映当前电机转角。
角度分辨率: 0.0125°/s/LSB (80°/s)
典型带宽 0.33KHz
动态线性加速度补偿因子: 0.05°/sec/g
运动偏移稳定性: 0.009°/sec
对震动敏感,故尽量选用柔 性安装,或减震设计。
Motion Control: Motor
关于驱动: • 直流伺服系统 + 减速机, 适用于移动机器人 • 交流伺服系统 + 减速机,需要逆变 • 步进电机 + 减速机,价格便宜,性能较差。
若机器人是直线运动,根据v-t曲线,利用初等 几何或简单的微积分可以得到机器人的坐标。这 是一维运动的情况。
在平面上的运动:机器人在场地上的运动路 径可能是任意形状,所以使用一种依赖于行走路 径的定位方法是不现实的,因为不可能使用一种 统一的路径数学模型去描述所有可能的情况。但 是如果使用微积分思想,把曲线看成是很多段微 小直线组成,就可解决定位问题。
Encoder 有光学式、磁式、感应式和电容式。 Encoder 根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式 、绝对式以及混合式3种。
Motion Control Sensors
输出倍频(四倍频的算法)
数学上fA(t)和fB(t)可描述成(1(t)是阶跃函数): fA(t) =1[kt- k(T/2)]-1(kt- kT) fB(t) =1[kt- k(T/2)- k(π/2)]-1[kensors
关于运动的方向?
• Encoder 输出相位相差90°的A/B 2个感光元件,产 生A、B两路信号,相位相差90°。只对某一相信号进行 计数,计数结果反映转动圈数。 • 判断其正转还是反转,须采用两路正交信号信号。如 正转时,A的相位超前于B的相位90°,那么反转时,B的 相位超前于A的相位90°。据此对A相信号计数时,判断B 相信号处于高电平还是低电平即可判断编码盘处于正转 状态还是反转状态。
可得到系统的状态方程和测量方程。
Motion Control
Motion Control
Obstacle-avoiding:
输出25KHZ的方波信号,经放大后和线圈升压,探 头发射。当超声波遇到障碍物反射后,接受头接收 回波,经电容,电阻滤波后由两个反向并联的稳压 管稳压,再经四级放大后送回单片机供单片机处理。 单片机记录收发的时间T计算出当前机器人距障碍物
用数字延迟电路使fA(t)和fB(t)产生τ时刻延迟: fA(t-τ) =1[kt-k(T/2)-kτ]-1(kt- kT- kτ) fB(t-τ) =1[kt- k(T/2)- k(π/2)- kτ]-1[kt- kT- k(π/2)- kτ
所以:fA(t)-fA(t-τ) =δ(kt - kτ)-δ(kt- kT - kτ) fB(t)-fB(t-τ) =δ[kt- k(T/2)- k(π/2) - kτ]-δ[kt- kT- k(π/2) - kτ] δ(A-)→δ(B-)→δ(A+)→δ(B+)
。 距离S=V*T/2
Motion Control:case
从动轮与Encoder的配合(14:35) :
Motion Control:case2
另一个Encoder / Gyroscope应用的移动 机器人例子(2009)
Motion Control:case
MEMS Gyroscope:
ADIS16365通过SPI协议与外部控制器实现数据和指令通信, ADIS16365拥有31个控制和数据寄存器。集成3个惯性传感器和3个角 速度传感器,带自校准功能。