基于改进SINS的移动机器人室内组合定位系统
发布时间：2021-03-01 08:15
随着城市的扩张与发展,移动机器人的应用场景愈加宽泛,在室内环境中,准确的定位信息是移动机器人自主工作的前提。目前,多传感器融合是室内定位主流的方案,由于惯导设备不易受外界环境干扰、能全自主运行,使得惯导设备成为多传感器室内定位算法常用的数据源。本文采用捷联惯导算法（SINS）、航迹推算法和卡尔曼最优线性平滑建立了一套组合定位系统,其性能可靠,能够满足移动机器人室内自主定位的要求。首先,提出了一种改进的捷联惯导算法。传统捷联惯导算法只利用多子样算法补偿机器人运动时的不可交换误差,多子样算法由等效旋转矢量方程（Bortz方程）近似推导而来,算法中存在原理性误差。为了进一步提高精度,将陀螺仪的增量数据拟合成多项式形式,把其代入姿态阵微分方程中,对微分方程进行泰勒展开得到无不可交换误差的姿态信息,抑制对系统定位精度影响最大的姿态误差。然后利用三子样算法优化速度微分方程中的旋转效应及划桨效应补偿项,结合姿态信息和速度微分方程解算出速度信息,对速度信息积分处理获得机器人的位置信息,以此推导出一种更高精度的改进捷联惯导算法。然后,分析了航迹推算系统误差方程,结合捷联惯导和航迹推算两子系统的特点,以系...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１扫地机器人?图１．２送餐机器人?图１．３仓储机器人??
?第１章绪论???司发布ｅｕｆｙ系列扫地机器人ＲｏｂｏＶａｃｌｌ．其搭载的多个红外传感器可实现机器人??的自主寻路，并具备防跌落和避障等基本功能。２０１９年美国Ｂｏｓｔｏｎ?Ｄｙｎａｍｉｃｓ公??司公布了旗下的四足机器人Ｓｐｏｔ，如图１．４所示，该型机器人四足灵活可在极端??的情况下保持平衡，能自动避障前往指定地点，配合机械臂能完成开关门甚至跳??舞等动作。在Ｂｏｓｔｏｎ?Ｄｙｎａｍｉｃｓ公司旗下的另一款人型双足机器人Ａｔｌａｓ，如图１．５??所示，能保持稳定站立的同时搬运货物至指定位置，还可以完成立定跳远、后空??翻、跨障碍奔跑等高难度动作，具有极强的机体协调能力。??…．一???……??图１．４?Ｓｐｏｔ四足机器人?图１．５?Ａｔｌａｓ人型双足机器人??国内的移动机器人起步较晚，但随着机器人相关技术日趋成熟，它已被应用??在科研及生活的诸多领域。２０１３年中国国家航天局研发的玉兔号月球探测车成??功登陆月球，这是国内第一辆地外探测移动机器人，通过太阳能扳光照供电。它??配备有机械臂而且安装有红外光谱仪、阿尔法粒子光谱仪和全景相机，能利用导??航和避障系统完成路径规划和自主导航１９１。山东电力研宄所投入使用了国内第一??台应用于变电站环境的巡检机器人，机体搭载有移动系统和基站系统保证机器??人正常运行Ｉ１＇并借助视觉和超声波传感器数据实现机器人避障｜ｎｌ。清华大学研??发了一款护理机器人，可帮助卧病在床且行动不便的患者取药。??服务型机器人在商业机器人中占主要成分。科沃斯集团旗下的清洁机器人??ＤＥＥＢ０Ｔ配置有下视传感器、红外传感器、激光传感器等多种类型传感器，依??靠传感器能完成避障
?＋?ｃｏｃＴ）ｘＶｅＴ?＋?ｇ?（２．２１）??ｄｔ?Ｔ??ｄＶ??上式即为比力方程，＃是平台坐标系中观测到的速度矢量．，的变化率，??ａｔ?Ｔ??／为加速度计测量值，ｇ为重力加速度。??２．３．３捷联式惯导系统的工作原理??捷联惯导系统（ＳＩＮＳ，?Ｓｔｒａｐｄｏｗｎ?Ｉｎｅｒｔｉａｌ?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ）直接将陀螺仪和加??速度计固联在载体上，两者皆可得出增量数据。由于受外界因素干扰特别小，所??以捷联惯导系统能有效实现载体的全自主定位效果，简要算法框图如图２．１所示。??１??１??Ｉ?Ｉ????角速度?Ｉ?姿态更新?＾??｜１?１［???Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ，?，１??????Ｉ?加速度?ｉ＾?速度更新?一？位置更新??ＩＩ?１??????Ｉ?ＩＭＵ?Ｉ??图２．１?ＳＩＮＳ简要算法框图??系统首先利用陀螺仪产生的角速度数据解算出载体的姿态矩阵，转化为欧??拉角之后可完成载体目前状态的可视化。利用角速度信息进行姿态更新的过程??中，需要考虑载体旋转时的不可交换误差，尤其在载体圆维运动时，会使得载体??１４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]单目视觉惯性定位的IMU辅助跟踪模型[J]. 王帅,潘树国,黄砺枭,曾攀. 测绘通报. 2018(11)
[2]CE3玉兔号月球车APXS特征X射线能谱信息分析[J]. 刘菁华,王文华,陈圣波,周大鹏. 吉林大学学报(地球科学版). 2018(02)
[3]线性广义系统的最优和鲁棒满阶平滑器[J]. 窦寅丰,孙书利,冉陈键. 控制理论与应用. 2018(02)
[4]轮式移动机器人里程计系统误差校核[J]. 贝旭颖,平雪良,高文研. 计算机应用研究. 2018(09)
[5]一种求解姿态不可交换误差补偿系数的通用方法[J]. 严恭敏,杨小康,翁浚,秦永元. 宇航学报. 2017(07)
[6]基于GNSS/MIMU/DR的农业机械组合导航定位方法[J]. 刘进一,杜岳峰,张硕,朱忠祥,毛恩荣,陈雨. 农业机械学报. 2016(S1)
[7]高动态捷联姿态测量的改进型圆锥误差补偿算法研究[J]. 王真,高凤歧,高敏,高伟伟. 科学技术与工程. 2015(22)
[8]机载捷联惯导数字仿真器的设计[J]. 徐景硕,王晓飞,张胜,罗恬颖. 兵工自动化. 2014(12)
[9]智能移动机器人控制系统设计研究[J]. 孙梅. 硅谷. 2014(16)
[10]里程计辅助的捷联惯导系统研究[J]. 白亮,严恭敏,朱启举,田荣军. 弹箭与制导学报. 2013(06)
博士论文
[1]基于多传感器融合的室内机器人自主导航方法研究[D]. 张文.中国科学技术大学 2017
[2]复杂环境下不确定轮式移动机器人运动控制的研究[D]. 崔明月.重庆大学 2012
[3]激光雷达/惯性组合导航系统的一致性与最优估计问题研究[D]. 章大勇.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]服务机器人交互设计研究与应用[D]. 邢妍.沈阳工业大学 2017
[2]融合激光测距仪和惯导信息的移动机器人室内定位方法研究[D]. 闫浩月.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于多传感器信息融合的移动机器人定位方法研究[D]. 吴显.北京交通大学 2016
[4]光纤捷联惯导系统初始对准方法研究[D]. 王晓雪.哈尔滨工程大学 2016
[5]巡检机器人UWB无线定位算法和导航控制系统的研究[D]. 曾健.哈尔滨工业大学 2015
[6]基于ARM和DSP的微小型组合导航系统研究[D]. 王吉平.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3057204
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１扫地机器人?图１．２送餐机器人?图１．３仓储机器人??
?第１章绪论???司发布ｅｕｆｙ系列扫地机器人ＲｏｂｏＶａｃｌｌ．其搭载的多个红外传感器可实现机器人??的自主寻路，并具备防跌落和避障等基本功能。２０１９年美国Ｂｏｓｔｏｎ?Ｄｙｎａｍｉｃｓ公??司公布了旗下的四足机器人Ｓｐｏｔ，如图１．４所示，该型机器人四足灵活可在极端??的情况下保持平衡，能自动避障前往指定地点，配合机械臂能完成开关门甚至跳??舞等动作。在Ｂｏｓｔｏｎ?Ｄｙｎａｍｉｃｓ公司旗下的另一款人型双足机器人Ａｔｌａｓ，如图１．５??所示，能保持稳定站立的同时搬运货物至指定位置，还可以完成立定跳远、后空??翻、跨障碍奔跑等高难度动作，具有极强的机体协调能力。??…．一???……??图１．４?Ｓｐｏｔ四足机器人?图１．５?Ａｔｌａｓ人型双足机器人??国内的移动机器人起步较晚，但随着机器人相关技术日趋成熟，它已被应用??在科研及生活的诸多领域。２０１３年中国国家航天局研发的玉兔号月球探测车成??功登陆月球，这是国内第一辆地外探测移动机器人，通过太阳能扳光照供电。它??配备有机械臂而且安装有红外光谱仪、阿尔法粒子光谱仪和全景相机，能利用导??航和避障系统完成路径规划和自主导航１９１。山东电力研宄所投入使用了国内第一??台应用于变电站环境的巡检机器人，机体搭载有移动系统和基站系统保证机器??人正常运行Ｉ１＇并借助视觉和超声波传感器数据实现机器人避障｜ｎｌ。清华大学研??发了一款护理机器人，可帮助卧病在床且行动不便的患者取药。??服务型机器人在商业机器人中占主要成分。科沃斯集团旗下的清洁机器人??ＤＥＥＢ０Ｔ配置有下视传感器、红外传感器、激光传感器等多种类型传感器，依??靠传感器能完成避障
?＋?ｃｏｃＴ）ｘＶｅＴ?＋?ｇ?（２．２１）??ｄｔ?Ｔ??ｄＶ??上式即为比力方程，＃是平台坐标系中观测到的速度矢量．，的变化率，??ａｔ?Ｔ??／为加速度计测量值，ｇ为重力加速度。??２．３．３捷联式惯导系统的工作原理??捷联惯导系统（ＳＩＮＳ，?Ｓｔｒａｐｄｏｗｎ?Ｉｎｅｒｔｉａｌ?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ）直接将陀螺仪和加??速度计固联在载体上，两者皆可得出增量数据。由于受外界因素干扰特别小，所??以捷联惯导系统能有效实现载体的全自主定位效果，简要算法框图如图２．１所示。??１??１??Ｉ?Ｉ????角速度?Ｉ?姿态更新?＾??｜１?１［???Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ，?，１??????Ｉ?加速度?ｉ＾?速度更新?一？位置更新??ＩＩ?１??????Ｉ?ＩＭＵ?Ｉ??图２．１?ＳＩＮＳ简要算法框图??系统首先利用陀螺仪产生的角速度数据解算出载体的姿态矩阵，转化为欧??拉角之后可完成载体目前状态的可视化。利用角速度信息进行姿态更新的过程??中，需要考虑载体旋转时的不可交换误差，尤其在载体圆维运动时，会使得载体??１４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]单目视觉惯性定位的IMU辅助跟踪模型[J]. 王帅,潘树国,黄砺枭,曾攀. 测绘通报. 2018(11)
[2]CE3玉兔号月球车APXS特征X射线能谱信息分析[J]. 刘菁华,王文华,陈圣波,周大鹏. 吉林大学学报(地球科学版). 2018(02)
[3]线性广义系统的最优和鲁棒满阶平滑器[J]. 窦寅丰,孙书利,冉陈键. 控制理论与应用. 2018(02)
[4]轮式移动机器人里程计系统误差校核[J]. 贝旭颖,平雪良,高文研. 计算机应用研究. 2018(09)
[5]一种求解姿态不可交换误差补偿系数的通用方法[J]. 严恭敏,杨小康,翁浚,秦永元. 宇航学报. 2017(07)
[6]基于GNSS/MIMU/DR的农业机械组合导航定位方法[J]. 刘进一,杜岳峰,张硕,朱忠祥,毛恩荣,陈雨. 农业机械学报. 2016(S1)
[7]高动态捷联姿态测量的改进型圆锥误差补偿算法研究[J]. 王真,高凤歧,高敏,高伟伟. 科学技术与工程. 2015(22)
[8]机载捷联惯导数字仿真器的设计[J]. 徐景硕,王晓飞,张胜,罗恬颖. 兵工自动化. 2014(12)
[9]智能移动机器人控制系统设计研究[J]. 孙梅. 硅谷. 2014(16)
[10]里程计辅助的捷联惯导系统研究[J]. 白亮,严恭敏,朱启举,田荣军. 弹箭与制导学报. 2013(06)
博士论文
[1]基于多传感器融合的室内机器人自主导航方法研究[D]. 张文.中国科学技术大学 2017
[2]复杂环境下不确定轮式移动机器人运动控制的研究[D]. 崔明月.重庆大学 2012
[3]激光雷达/惯性组合导航系统的一致性与最优估计问题研究[D]. 章大勇.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]服务机器人交互设计研究与应用[D]. 邢妍.沈阳工业大学 2017
[2]融合激光测距仪和惯导信息的移动机器人室内定位方法研究[D]. 闫浩月.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于多传感器信息融合的移动机器人定位方法研究[D]. 吴显.北京交通大学 2016
[4]光纤捷联惯导系统初始对准方法研究[D]. 王晓雪.哈尔滨工程大学 2016
[5]巡检机器人UWB无线定位算法和导航控制系统的研究[D]. 曾健.哈尔滨工业大学 2015
[6]基于ARM和DSP的微小型组合导航系统研究[D]. 王吉平.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3057204
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