如何才能讓機(jī)器人在預(yù)先定義的路徑上精確移動(dòng)

該項(xiàng)目旨在讓機(jī)器人在預(yù)先定義的路徑上精確移動(dòng)，無(wú)需使用GPS或WiFi或藍(lán)牙進(jìn)行定位，甚至無(wú)需地圖或建筑布局規(guī)劃。并實(shí)時(shí)繪制其實(shí)際路徑（按比例）。藍(lán)牙可以代替有線，用于傳輸實(shí)時(shí)位置信息。

背景

我們一直在為基于Arduino的機(jī)器人的室內(nèi)導(dǎo)航尋找強(qiáng)大的解決方案。在為此應(yīng)用選擇正確的運(yùn)動(dòng)傳感解決方案時(shí)，我們考慮了Oblu（一種開源IMU）。它的低成本和開源性質(zhì)使其成為可能的候選者。這里棘手的部分是oblu的開源程序適用于腳踏式室內(nèi)行人航位推算（PDR）或行人導(dǎo)航，簡(jiǎn)而言之。Oblu作為一款腳裝式IMU在室內(nèi)的PDR性能令人印象深刻。一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是免費(fèi)的Android應(yīng)用程序（Xblu）的實(shí)時(shí)位置跟蹤。但是，我們不確定如何利用其現(xiàn)有的基于人類步行模型的行人導(dǎo)航算法。

Oblu的內(nèi)部計(jì)算基于人類行走。Oblu給出兩個(gè)連續(xù)步驟之間的位移和航向變化。當(dāng)腳與地面接觸時(shí)，鞋底的速度為零，即鞋底處于靜止?fàn)顟B(tài)。這樣，Oblu可以檢測(cè)“步驟”并糾正一些內(nèi)部錯(cuò)誤。這種頻繁的錯(cuò)誤糾正會(huì)帶來(lái)出色的跟蹤性能。所以我們的機(jī)器人也以同樣的方式行走——移動(dòng)、停止、移動(dòng)、停止。

我們選擇了Oblu，很快我們就可以組裝我們的機(jī)器人和跟蹤系統(tǒng)。

它是如何工作的：

機(jī)器人以預(yù)先編程的路徑移動(dòng)，并將其實(shí)際移動(dòng)信息（通過(guò)藍(lán)牙）傳輸?shù)?a target="_blank">手機(jī)以進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

Arduino預(yù)編程了路徑，oblu用于感知機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。oblu定期向Arduino傳輸運(yùn)動(dòng)信息。在此基礎(chǔ)上，Arduino控制輪子的運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人遵循預(yù)定義的路徑。

機(jī)器人的路徑被編程為一組直線段。每個(gè)線段由其長(zhǎng)度和相對(duì)于前一個(gè)線段的方向定義。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)保持謹(jǐn)慎，即它以直線運(yùn)動(dòng)，但在較小的部分（為簡(jiǎn)單起見，我們稱之為“步幅”）。在每一步結(jié)束時(shí)，oblu將步長(zhǎng)和偏離程度（方向變化）從直線傳輸?shù)紸rduino。如果Arduino發(fā)現(xiàn)與預(yù)定義的直線有偏差，則Arduino在收到此類信息的每一步都會(huì)糾正機(jī)器人的對(duì)齊方式。

根據(jù)程序，機(jī)器人總是應(yīng)該直線移動(dòng)。但是，由于表面不平整、機(jī)器人裝配質(zhì)量不平衡、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)或電氣不平衡或前自由運(yùn)轉(zhuǎn)輪的隨機(jī)方向等非理想情況，它可能會(huì)偏離直線，并可能以一定的角度或傾斜的路徑行走。

邁出一步→糾正你的前進(jìn)方向→前進(jìn)

如果機(jī)器人的行程超過(guò)該特定線段的編程長(zhǎng)度，它也會(huì)向后移動(dòng)。

下一個(gè)步長(zhǎng)取決于該特定直線段要覆蓋的剩余距離。當(dāng)要行進(jìn)的距離較大時(shí)，機(jī)器人會(huì)大步走，而在接近目的地（即每個(gè)直線段的末端）時(shí)，機(jī)器人會(huì)小步走。

IMUOblu同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rduino和手機(jī)（通過(guò)藍(lán)牙）。Xblu（Android應(yīng)用程序）根據(jù)從機(jī)器人接收到的運(yùn)動(dòng)信息執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)構(gòu)建路徑，用于在手機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。使用Xblu構(gòu)建路徑如下所示：

總而言之，Obl可以感知運(yùn)動(dòng)并定期將運(yùn)動(dòng)信息傳達(dá)給Arduino和手機(jī)。根據(jù)編程路徑和運(yùn)動(dòng)信息（由oblu發(fā)送），Arduino控制車輪的運(yùn)動(dòng)。除啟動(dòng)/停止命令外，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)不受遠(yuǎn)程控制。

路徑建模：

如果機(jī)器人只在直線段上行走，它可能會(huì)最容易控制。因此，必須首先將路徑建模為一組直線段。下面的圖片包含幾個(gè)示例路徑及其在位移和方向方面的表示。這就是在Arduino中對(duì)路徑進(jìn)行編程的方式。

同樣，任何作為一組直線段的路徑都可以在Arduino中定義和編程。

通訊協(xié)議：

第1步：Xoblu向oblu發(fā)送START命令

第2步：oblu通過(guò)向Xblu發(fā)送適當(dāng)?shù)?a target="_blank">ACK來(lái)確認(rèn)接收命令

第3步：oblu在每一步向Xoblu發(fā)送包含每個(gè)步幅的位移和方向信息的DATA包。（步驟=每當(dāng)檢測(cè)到零運(yùn)動(dòng)或檢測(cè)到靜止時(shí)）。

第4步：Xblu通過(guò)向oblu發(fā)送適當(dāng)?shù)腁CK來(lái)確認(rèn)接收到最后一個(gè)DATA數(shù)據(jù)包。（重復(fù)第3步和第4步的循環(huán)，直到Xblu發(fā)送STOP。收到STOP命令后，oblu執(zhí)行第5步）

第5步：停止-（i）在oblu中停止處理（ii）在oblu中停止所有輸出

連接示意圖：