帶有雙桿臂的履帶式移動機器人自主攀爬樓梯控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及移動機器人領(lǐng)域，特別涉及一種帶有雙桿臂的小型履帶式移動機器人 自主攀爬樓梯控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于 一體的綜合系統(tǒng)。目前，移動式機器人被大量應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境，特別是履帶式移動機 器人的應(yīng)用更為廣泛。履帶式移動機器人不同于一般的輪式移動機器人，它能通過各種復(fù) 雜的地形，并且可以工作在火場、自然災(zāi)害、反恐防爆、軍事作業(yè)、核設(shè)施檢查等惡劣的環(huán)境 下，代替人執(zhí)行一些具有危險性的工作。這些應(yīng)用場合要求機器人具有體積小、機動性強、 轉(zhuǎn)向靈活等特點，而且要能夠通過自身攜帶的傳感器使其具有一定的自主功能。本專利所 采用的小型履帶式移動機器人具有體積小、機動性強、轉(zhuǎn)向靈活和對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力 較強等優(yōu)點，可較好地完成反恐防爆、災(zāi)難營救和軍事偵察等任務(wù)。
[0003] 履帶式移動機器人攀爬樓梯的問題一直是有待解決的重點和難點。根據(jù)國內(nèi)外相 關(guān)研宄進展，攀爬樓梯的履帶式移動機器人大多相對尺寸過大（相對于樓梯高度），這對于 機器人偵查的隱蔽性、攜帶的便攜性以及拋投的距離等都會起到很大的限制作用，因此可 單人單手攜帶的小型履帶式移動機器人應(yīng)用靈活性更好。但是對于相對尺寸較小的（相對 于樓梯高度）小型履帶式移動機器人來說，由于受到自身尺寸的限制，不能采用普通的履 帶式移動機器人攀爬樓梯的控制方法，因此，本發(fā)明針對小型履帶式移動機器人，提出了一 種自主攀爬樓梯的控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種能自主攀爬 樓梯的履帶式移動機器人的控制方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種履帶式移動機器人爬樓梯的控制方法，所述履帶式移動機器人包括前輪、后 輪以及包覆在所述前輪和后輪上的履帶，其特征在于：在所述前輪設(shè)置有轉(zhuǎn)動角度可控的 雙桿臂，通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步提升所述履帶式移動機器人的重心位置完成攀 爬。
[0007] 所述通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步提升所述履帶式移動機器人的重心位置完 成攀爬的具體步驟是：
[0008] 步驟1 :確定攀爬臺階的高度，如果攀爬臺階的高度大于最大可攀爬樓梯高度，則 停止攀爬；如果攀爬臺階的高度小于最大可攀爬樓梯高度，則進入步驟2 ;
[0009] 步驟2 :驅(qū)動履帶向前運動并用碼盤測速，使左右履帶的運動速度相同，直至到達 車頭的履帶恰好與第一節(jié)臺階相接觸，驅(qū)動雙桿臂按順時針方向旋轉(zhuǎn)，進入步驟3 ;
[0010] 步驟3 :桿臂按順時針方向旋轉(zhuǎn)，使車體與地面成一定的角度為Θ，桿臂停止轉(zhuǎn) 動，Θ計算公式為：
[0011] Θ = arccos ((L-R)/D) *180/JT，
[0012] 其中L為桿臂的長度，R前輪的半徑，D為前后輪中心之間的距離；
[0013] 保持車體與踏步面的角度不變，進入步驟4 ;
[0014] 步驟4 :桿臂逆時針轉(zhuǎn)動直到與車體成一定角度β，桿臂停止轉(zhuǎn)動，β角保持不 變。驅(qū)動輪驅(qū)動履帶向前運動，車體與地面成90度角時，停止運動進入步驟6 ;
[0015] 其中 β 計算公式為：β = 180-arcsin (R/L) *180/ π ;
[0016] 步驟6 :桿臂按逆時針轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動輪驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動抬起車體，直到桿臂與地面 成90度，進入步驟7 ;
[0017] 步驟7 :驅(qū)動輪驅(qū)動履帶繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直至整個車身完全在樓梯的臺階上，停止運動 攀爬一節(jié)樓梯結(jié)束，進入步驟8 ;
[0018] 步驟8 :重復(fù)步驟2到步驟7,完成剩余節(jié)樓梯的攀爬。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)選方案，在步驟1中，車頭垂直第一節(jié)臺階的具體實現(xiàn)方法是：對兩個 紅外傳感器進行校正，找到紅外傳感器與臺階的距離對應(yīng)電壓值，通過單片機對兩個紅外 傳感器測量的電壓值進行分析，得到兩個傳感器到臺階的距離相等，此時，車頭與第一節(jié)臺 階垂直。通過測速碼盤，保證兩邊履帶的速度相同，直至機器人的履帶恰好與第一節(jié)臺階相 接觸。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)選方案，機器人角度的測量是通過姿態(tài)傳感器來實現(xiàn)的，具體的實現(xiàn) 方法，當機器人發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，用姿態(tài)傳感器測量得到一個粗略的角度，機器人停止翻轉(zhuǎn)，延 遲1秒鐘，再重新測量，如果達到所需的角度，則停止翻轉(zhuǎn)，如果角度過大，則向角度偏小的 方向翻轉(zhuǎn)，如果角度過小，則向角度偏大的方向進行翻轉(zhuǎn)，從而達到所需要的角度。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)選方案，在步驟1中，機器人攀爬第一節(jié)臺階之前需要測量臺階的高 度，以用來確定機器人能否翻越該臺階，這個功能是通過機器人前端的攝像頭來實現(xiàn)的，機 器人前端的攝像頭通過建模和圖像處理得出攀爬樓梯的踏步梯面高度，與最大可攀爬樓梯 高度進行對比，如果攀爬臺階的高度大于最大可攀爬樓梯高度，則取消攀爬任務(wù)，向操控終 端發(fā)出報警信息；如果攀爬臺階的高度小于最大可攀爬樓梯高度，則自動進行攀爬任務(wù)。
[0022] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0023] (1)現(xiàn)有此類機器人大多通過履帶臂直接搭在臺階上，進行攀爬任務(wù)，而這種攀爬 臺階的控制方法要求機器人的相對尺寸都比較大。本發(fā)明提出的一種攀爬臺階的控制方 法，適用于相對尺寸較小，無法通過傳統(tǒng)的控制方法實現(xiàn)自主攀爬臺階的小型履帶式移動 機器人。本發(fā)明提出的一種新的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)小型履帶式移動機器人攀爬樓梯的功 能。
[0024] (2)由于遙操作機器人系統(tǒng)中不可避免的會出現(xiàn)時延的問題，導(dǎo)致對機器人控制 的實時性較差，而攀爬樓梯的過程對實時性要求較高，因此，機器人在攀爬樓梯的過程中， 機器人通過自身所攜帶的傳感器實現(xiàn)自主控制，則能有效地避免時延問題，提高了控制精 度。
[0025] (3)本控制方法在攀爬樓梯的過程中，首先通過機器人車頭前端的紅外傳感器實 現(xiàn)機器人車頭與踏步梯面相垂直，再通過編碼器使兩側(cè)履帶的速度相同，從而使機器人的 車頭始終與踏步梯面相垂直，防止在攀爬樓梯的過程中發(fā)生側(cè)滑。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的整體系統(tǒng)示意圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明的履帶式移動機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明的履帶式移動機器人的攀爬樓梯開始狀態(tài)示意圖。
[0029] 圖4是本發(fā)明的履帶式移動機器人的攀爬樓梯準備狀態(tài)示意圖。
[0030] 圖5是本發(fā)明的履帶式移動機器人車體與踏步面成最大角度示意圖。
[0031] 圖6是本發(fā)明的履帶式移動機器人桿臂與踏步梯面相切示意圖。
[0032] 圖7是本發(fā)明的履帶式移動機器人桿臂與車身成一定角度示意圖。
[0033] 圖8是本發(fā)明的履帶式移動機器人車身與踏步面垂直示意圖。
[0034] 圖9-11是本發(fā)明的履帶式移動機器人桿臂抬起車體示意圖。
[0035] 圖12是本發(fā)明的履帶式移動機器人重心通過踏步面示意圖。
[0036] 圖13是本發(fā)明的履帶式移動機器人攀爬樓梯結(jié)束示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的工作原理和工作過程作進一步詳細說明。
[0038] 實施例：參考圖1，本實例的整體系統(tǒng)包括操控終端和帶有雙桿臂的小型履帶式 移動機器人，其中操縱終端與小型履帶式移動機器人之間通過WIFI進行無線通信。參考 圖2,本實例所采用的帶有雙桿臂的小型履帶式移動機器人是由車體1、驅(qū)動輪2-3、支撐輪 4-5、桿臂6-7、攝像頭8、紅外傳感器9-10、履帶11-12等組成。機器人的尺寸是長200毫 米，寬180毫米，高60毫米，桿臂的長度為150毫米。本實例的最大可攀爬高度為157毫米。
[0039