基于UWB/GNSS/IMU的机器人室内外无缝定位技术研究
发布时间：2021-07-29 21:31
机器人实际应用场景复杂多样,根据任务需求不同,往往需要工作在室内外混合环境中,传统单一定位方式难以满足无缝定位需求,因此本文对基于多种定位技术手段的机器人组合定位展开研究,采用数据融合滤波算法提高系统的定位性能,针对应用过程中存在的融合算法对定位模式跳转切换自适应能力不强及无线电测距基站布设无法事先确定问题提出相应解决方法,以达到提高机器人室内外无缝定位精度的目的。首先,考虑到卫星导航信号对环境较为敏感,无法于室内提供定位服务,建立了基于UWB作为传统GNSS/IMU组合导航补充的组合定位结构,基于惯性导航系统误差模型建立系统的状态方程,分别考虑卫星导航及超宽带定位的观测信息建立量测方程,二者共同构成了组合定位算法数学模型,然后通过仿真实现了验证。其次,针对无缝定位中不同信息源的分配选择及环境变化导致组合模式的切换跳转问题,提出了一种基于可观测度分析——交互式多模型的无缝定位自适应滤波算法,采用改进的可观测度分析方法评估当前系统滤波器工作性能,然后对交互式多模型中马尔科夫转移概率矩阵对算法性能的影响进行分析,基于可观测度对转移概率进行修正,从而使算法能够有效地根据定位模式跳转调整滤波模...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Shakey机器人
无人操纵”来驾驶汽车，但油门和制动器仍需人为介入控制，在这方面，比较成功的案例是文献[14]中MichaelRuhnke等人研制的Obelix机器人，作者成功对室外城区环境下的机器人导航与定位性能进行了验证，如图1-2所示，机器人搭配HokuyoUTM-30LX型激光雷达及GNSS等设备，完成了由弗莱堡大学到市中心3公里的自主导航实验；为进一步提高室外安全性，谷歌于2009年启动了无人驾驶项目，汽车搭载Velodyne64线激光雷达、GNSS、IMU、编码器等传感器，并结合高分辨率地图辅助，以实时跟踪汽车的运动状况，其技术在国际处于领先地位。图1-2Obelix机器人穿越弗莱堡市城区我国虽然对移动机器人定位技术研究起步较晚，但近年来也在技术上取得了多项突破。由清华大学智能车科研团队自主设计研发的AutolaborPro1导航
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-机器人基于机器人操作系统（RobotOperatingSystem，ROS），是一款集底盘、控制计算机及传感器组件为一体的室内外导航移动平台，已实现了室内外自动导航、Cartographer建图、路径规划等功能[15]；广东松灵机器人Agilex公司研制的Scout系列机器人[16]在载重能力、移动速度和功率等方面达到了现有市场同类产品的两倍以上，通过搭载不同传感器组件和导航系统能够用于自主导航、室内外巡检、环境探测、物流运输等多方面应用探索；百度于2019年推出了Apollo全球首款自动驾驶开发套件，并提供差分GNSS、惯导系统、双目摄像头、激光雷达红外/超声波等一系列硬件产品及阿波罗开源软件平台，目前该平台已更新至5.5版本[17]；定位技术方面，香港科技大学沈邵劫团队基于LinkTrackUWB定位系统，视觉、IMU等传感器，实现无GNSS情况下的室内外完全自主机器人编队及定位，其中UWB提供了不可或缺的测距通信与授时功能[18]；香港理工大学智能定位与导航实验室开源了两组城市复杂环境下的基于移动平台采集的多源传感器数据集[19]，采集时间分别是2018年12月19日和2019年4月28日，地点分别位于东京和香港，两者都带有GNSS/Lidar/IMU数据，便于实现对于定位数据融合算法的验证分析。图1-3AutolaborPro1图1-4Agilex机器人图1-5百度Apollo开发套件
【参考文献】：
期刊论文
[1]地基伪卫星区域导航系统快速布设算法[J]. 张书雨,姚铮,陆明泉. 武汉大学学报(信息科学版). 2018(09)
[2]多源信息融合的组合导航自适应联邦滤波算法[J]. 段睿,张小红,朱锋. 系统工程与电子技术. 2018(02)
[3]北斗卫星导航系统首次国产民机应用试飞取得圆满成功[J]. 交通企业管理. 2017(06)
[4]UWB/INS紧组合的室内定位定姿方法[J]. 徐爱功,刘韬,隋心,王长强. 导航定位学报. 2017(02)
[5]Optimality Analysis of Sensor-Target Geometries for Bearing-Only Passive Localization in Three Dimensional Space[J]. ZHONG Yu,WU Xiaoyan,HUANG Shucai,LI Chengjing,WU Jianfeng. Chinese Journal of Electronics. 2016(02)
[6]基于粒子群算法的伪卫星布站优化设计[J]. 李东新,彭云,常青,李晶,于渊. 导航定位与授时. 2015(05)
[7]临近空间伪卫星几何布局方案设计[J]. 杨一,高社生,阎海峰. 系统工程与电子技术. 2014(03)
[8]基于双领航者的多AUV协同导航系统可观测性分析[J]. 高伟,刘亚龙,徐博. 系统工程与电子技术. 2013(11)
[9]一种基于PWCS的惯导系统可观测度分析方法[J]. 孔星炜,董景新,吉庆昌,薛建平. 中国惯性技术学报. 2011(06)
[10]平面点集凸包Graham算法的改进[J]. 吴文周,李利番,王结臣. 测绘科学. 2010(06)
硕士论文
[1]交互式多模型的转移概率自适应算法研究及应用[D]. 孙澜澜.西安理工大学 2019
[2]平面上不相交线段集的最小边界长凸包求解研究[D]. 李楠.大连海事大学 2019
[3]面向UWB室内定位的基站布设方法研究[D]. 钟佳威.深圳大学 2018
[4]基于UWB的室内机器人定位系统研究与设计[D]. 顾衍明.哈尔滨工业大学 2018
[5]基于多传感器融合的车辆室内外无缝定位系统研究[D]. 赵国旗.上海交通大学 2017
[6]室外移动机器人的定位与运动控制研究[D]. 胡胜豪.哈尔滨工业大学 2016
[7]GNSS多系统选星策略的研究[D]. 韩天祥.上海交通大学 2014
[8]基于模糊逻辑的无缝导航切换算法研究[D]. 吴萌.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3310093
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Shakey机器人
无人操纵”来驾驶汽车，但油门和制动器仍需人为介入控制，在这方面，比较成功的案例是文献[14]中MichaelRuhnke等人研制的Obelix机器人，作者成功对室外城区环境下的机器人导航与定位性能进行了验证，如图1-2所示，机器人搭配HokuyoUTM-30LX型激光雷达及GNSS等设备，完成了由弗莱堡大学到市中心3公里的自主导航实验；为进一步提高室外安全性，谷歌于2009年启动了无人驾驶项目，汽车搭载Velodyne64线激光雷达、GNSS、IMU、编码器等传感器，并结合高分辨率地图辅助，以实时跟踪汽车的运动状况，其技术在国际处于领先地位。图1-2Obelix机器人穿越弗莱堡市城区我国虽然对移动机器人定位技术研究起步较晚，但近年来也在技术上取得了多项突破。由清华大学智能车科研团队自主设计研发的AutolaborPro1导航
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-机器人基于机器人操作系统（RobotOperatingSystem，ROS），是一款集底盘、控制计算机及传感器组件为一体的室内外导航移动平台，已实现了室内外自动导航、Cartographer建图、路径规划等功能[15]；广东松灵机器人Agilex公司研制的Scout系列机器人[16]在载重能力、移动速度和功率等方面达到了现有市场同类产品的两倍以上，通过搭载不同传感器组件和导航系统能够用于自主导航、室内外巡检、环境探测、物流运输等多方面应用探索；百度于2019年推出了Apollo全球首款自动驾驶开发套件，并提供差分GNSS、惯导系统、双目摄像头、激光雷达红外/超声波等一系列硬件产品及阿波罗开源软件平台，目前该平台已更新至5.5版本[17]；定位技术方面，香港科技大学沈邵劫团队基于LinkTrackUWB定位系统，视觉、IMU等传感器，实现无GNSS情况下的室内外完全自主机器人编队及定位，其中UWB提供了不可或缺的测距通信与授时功能[18]；香港理工大学智能定位与导航实验室开源了两组城市复杂环境下的基于移动平台采集的多源传感器数据集[19]，采集时间分别是2018年12月19日和2019年4月28日，地点分别位于东京和香港，两者都带有GNSS/Lidar/IMU数据，便于实现对于定位数据融合算法的验证分析。图1-3AutolaborPro1图1-4Agilex机器人图1-5百度Apollo开发套件
【参考文献】：
期刊论文
[1]地基伪卫星区域导航系统快速布设算法[J]. 张书雨,姚铮,陆明泉. 武汉大学学报(信息科学版). 2018(09)
[2]多源信息融合的组合导航自适应联邦滤波算法[J]. 段睿,张小红,朱锋. 系统工程与电子技术. 2018(02)
[3]北斗卫星导航系统首次国产民机应用试飞取得圆满成功[J]. 交通企业管理. 2017(06)
[4]UWB/INS紧组合的室内定位定姿方法[J]. 徐爱功,刘韬,隋心,王长强. 导航定位学报. 2017(02)
[5]Optimality Analysis of Sensor-Target Geometries for Bearing-Only Passive Localization in Three Dimensional Space[J]. ZHONG Yu,WU Xiaoyan,HUANG Shucai,LI Chengjing,WU Jianfeng. Chinese Journal of Electronics. 2016(02)
[6]基于粒子群算法的伪卫星布站优化设计[J]. 李东新,彭云,常青,李晶,于渊. 导航定位与授时. 2015(05)
[7]临近空间伪卫星几何布局方案设计[J]. 杨一,高社生,阎海峰. 系统工程与电子技术. 2014(03)
[8]基于双领航者的多AUV协同导航系统可观测性分析[J]. 高伟,刘亚龙,徐博. 系统工程与电子技术. 2013(11)
[9]一种基于PWCS的惯导系统可观测度分析方法[J]. 孔星炜,董景新,吉庆昌,薛建平. 中国惯性技术学报. 2011(06)
[10]平面点集凸包Graham算法的改进[J]. 吴文周,李利番,王结臣. 测绘科学. 2010(06)
硕士论文
[1]交互式多模型的转移概率自适应算法研究及应用[D]. 孙澜澜.西安理工大学 2019
[2]平面上不相交线段集的最小边界长凸包求解研究[D]. 李楠.大连海事大学 2019
[3]面向UWB室内定位的基站布设方法研究[D]. 钟佳威.深圳大学 2018
[4]基于UWB的室内机器人定位系统研究与设计[D]. 顾衍明.哈尔滨工业大学 2018
[5]基于多传感器融合的车辆室内外无缝定位系统研究[D]. 赵国旗.上海交通大学 2017
[6]室外移动机器人的定位与运动控制研究[D]. 胡胜豪.哈尔滨工业大学 2016
[7]GNSS多系统选星策略的研究[D]. 韩天祥.上海交通大学 2014
[8]基于模糊逻辑的无缝导航切换算法研究[D]. 吴萌.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3310093
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