轮式移动机器人惯性定位系统的研发.pdf

分类号 u d c 密级 学校代号 118 4 5 学号 2 1111 0 4 0 7 9 广东工业大学硕士学位论文 工学硕士 轮式移动机器人惯性定位系统的研发 张唐烁 学科 专业 或领域名称 控剑堡途量控剑王猩 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ha n dd e s i g no ni n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m f o r 肠e e l e dm o b i l er o b o t c a n d i d a t e z h a n gt a n g s h u o 一一 s u p e r v i s o r a s s o c i a t e p r o f z h a n gq i m a y2 0 1 4 s c h o o io fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u g u a n g d o n g p r c h i n a 5 10 0 0 6 摘要 摘要 随着智能技术以及基于m e m s 传感器的发展 轮式移动机器人广泛应用于危险 的 未知的室内环境的救援 比如有火情的办公楼 或是只有楼层平面图的环境中 由于这些环境常常面临缺少g p s 或是其他无线信号的衰减导致定位精度的下降等 问题 而惯性定位技术是惯性导航原理在室内环境的应用 具有自主性强 环境适 应性好等优点 能够实现移动机器人在未知室内环境下的定位导航 惯性定位系统的核心技术是基于m e m s 的惯性传感器的数据处理和融合 本文 主要研发的内容是基于d s p 的轮式移动机器人惯性定位系统的研发 采用卡尔曼滤 波算法对里程计和惯性传感器的数据进行融合 实现了机器人的惯性定位 本文的 主要研发内容如下 1 惯性定位系统的总体设计 首先介绍了轮式移动机器人的结构 接着介绍惯性定位的移动机器人的工作原 理 然后介绍惯性定位系统的功能要求和性能要求 最后介绍惯性定位系统的体系 结构 2 惯性定位系统的硬件设计 根据惯性定位系统的设计功能和性能要求 对系统的器件进行选型 根据所选 择的器件对系统的各个部分进行外围接口电路的设计 包括d s p 最小系统设计 惯 性传感器的接口电路设计 低纹波稳压电源电路设计等 为了保证电路设计符合系 统性能指标 最后对整个硬件系统进行测试 3 惯性定位系统的软件设计 首先分析移动机器人的运动学模型 接着介绍系统的数据采集功能 然后介绍 基于卡尔曼滤波算法的多传感器数据融合 对移动机器人进行定位计算 最后介绍 系统的数据发送 4 惯性定位系统的仿真及调试分析 首先对电子罗盘的校正功能进行调试 接着对陀螺仪的数据输出进行滤波处 理 通过具体的实验对运行的效果进行分析 找出问题并提出改进的方法 最后介 绍惯性定位实验 本文根据移动机器人惯性定位系统的体系结构和设计要求 对系统的各个部分 广东工业大学硕士学位论文 进行硬件和软件上的设计 经过大量的实验和调试 实现了轮式机器人的惯性定位 满足惯性定位系统的要求 关键词 移动机器人 惯性传感器 惯性定位 卡尔曼滤波算法 定位计算 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt e c h n o l o g ya n ds e n s o rb a s e do nm e m s t h e w h e el e dm o b i l er o b o ti sw i d e l yu s e di nad a n g e r o u s u n k n o w no ft h ei n d o o re n v i r o n m e n t o ft h er e s c u e s u c ha sf i r e do f f i c eb u i l d i n g o ro n l yt h ef l o o rp l a no ft h ee n v i r o n m e n t b e c a u s et h ee n v i r o n m e n to f t e nf a c et h el a c ko fg p so ro t h e rw i r e l e s ss i g n a la t t e n u a t i o n l e dt oad e c l i n ei np o s i t i o n i n ga c c u r a c y t h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi st h e a p p l i c a t i o no fp r i n c i p l eo fi n e r t i a ln a v i g a t i o ni ni n d o o re n v i r o n m e n t h a st h ea d v a n t a g e s o fa u t o n o m yi ss t r o n g g o o da d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n t c a nr e a l i z em o b i l er o b o ti n u n k n o w ne n v i r o n m e n ti n d o o rn a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n g t h ec o r e dt e c h n o l o g yo fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi st h ed a t ao fi n e r t i a ls e n s o r b a s e do nt h em e m sp r o c e s s i n ga n di n t e g r a t i o n i nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t i st h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf o r t h ew h e e l e dm o b i l er o b o t b a s e do nd s p u s i n gk a l m a nf i l t e r i n ga l g o r i t h mo fo d o m e t e ra n di n e r t i a ls e n s o rd a t a f u s i o n r e a l i z et h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n go ft h er o b o t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i s a r t i c l ei sa sf o l l o w s 1 a r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m f i r s t l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h ew h e e l e dm o b i l er o b o t a n dt h e ni n t r o d u c e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n go ft h em o b i l er o b o t a n dt h ef u n c t i o na n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e a r c h i t e c t u r eo fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf i n a l l y 2 h a r d w a r ed e s i g no ft h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m a c c o r d i n g t ot h e f u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h e i n e r t i a l p o s i t i o n i n gs y s t e md e s i g n t h ec o m p o n e n t so ft h es y s t e ma r es e l e c t e d b a s e do nt h e c o m p o n e n t ss e l e c t i o nd e s i g n e dt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i tf o rv a r i o u sp a r t so ft h e s y s t e m i n c l u d i n gt h em i n i m u ms y s t e mo fd s pd e s i g n t h ei n e r t i a ls e n s o ri n t e r f a c e c i r c u i td e s i g n l o w r i p p l es t a b i l i v o l tc i r c u i td e s i g n e t c i no r d e rt oe n s u r et h ed e s i g n c o n f o r m st ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e x t e s tt h ee n t i r eh a r d w a r es y s t e mf i n a l l y 3 t h es o f t w a r ed e s i g no fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m f i r s t l ya n a l y z e st h ek i n e m a t i c sm o d e lo f t h em o b i l er o b o ta n dt h ed a t aa c q u i s i t i o n m 广东工业大学硕士学位论文 f u n c t i o n a n dt h e ni n t r o d u c e sm u l t i s e n s o rd a t af u s i o nb a s e do nk a l m a nf i l t e r i n g a l g o r i t h m a n dc a l c u l a t e st h ep o s i t i o no ft h em o b i l er o b o t f i n a l l yi n t r o d u c e st h ed a t a t r a s m i t i o no f t h es y s t e m 4 s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n ga n a l y s i so f t h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m s f i r s t l yd e b u g st h ec a l i b r a t i o nf u n c t i o no ft h ee l e c t r o n i cc o m p a s s a n dt h e nf i l t e rt h e d a t ao ft h eg y r oo u t p u t n e x ta n a l y z e st h ee f f e c tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt of i n do u tt h e p r o b l e m sa n dp u tf o r w a r di m p r o v e m e n tm e t h o d s f i n a l l y i n t r o d u c e dt h ei n e r t i a l p o s i t i o n i n ge x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf o r t h em o b i l er o b o t t h i sa r t i c l ed e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fv a r i o u sp a r t so ft h e s y s t e m t h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n dd e b u g g i n g t h ei n e r t i a lp o s i t i o n i n g s y s t e mo ft h ew h e e l e dr o b o tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s m o b i l er o b o t i n e r t i a ls e n s o r i n e r t i a lp o s i t i o n i n g k a l m a nf i l t e r i n g a l g o r i t h m p o s i t i o nc o m p u t e d i v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论 l 1 1 引言 1 1 2 课题的研究背景及意义 1 1 3 国内外相关的研究现状及分析 3 1 4 本文主要的研发内容和章节安排 4 1 4 1 本文主要的研发内容 4 1 4 2 章节安排 5 第二章移动机器人惯性定位系统的总体设计 6 2 1 引言 6 2 2 轮式移动机器人简介 6 2 3 惯性定位系统的工作原理 8 2 4 惯性定位系统的设计要求 9 2 4 1 系统功能要求 9 2 4 2 系统性能要求 9 2 5 惯性定位系统的体系结构设计 1 0 2 6 小结 l l 第三章移动机器人惯性定位系统的硬件设计 1 2 3 1 引言 1 2 3 2 惯性定位系统的硬件设计要求 1 2 3 2 1 陀螺仪信号的特点及影响精度的主要因素 1 2 3 2 2 硬件设计要求 13 3 3 硬件设计 1 4 3 3 1 处理器的选型及接口电路设计 1 4 3 3 2 加速度计选型及接口电路设计 17 v 广东工业大学硕士学位论文 3 3 3 电子罗盘选型及接口电路设计 2 0 3 3 4 陀螺仪选型及接口电路设计 2 2 3 3 5 低纹波稳压电源选型及接口电路设计 2 6 3 3 6 高通滤波电路设计 2 8 3 4 硬件测试 2 9 3 5 小结 3 0 第四章移动机器人惯性定位系统的软件设计 3 l 4 1 移动机器人的运动学分析 3i 4 2d s p 开发环境及工具 3 3 4 3 系统主程序设计 3 3 4 4 系统初始化 3 4 4 4 1 d s p 初始化 3 4 4 4 2 惯性传感器初始化 3 5 4 5 数据采集 3 8 4 6 基于卡尔曼滤波算法的数据融合 4 0 4 6 1 卡尔曼滤波算法简介 4 0 4 6 2 惯性传感器的数据融合 一4 2 4 7 移动机器人定位计算的实现 4 6 4 7 1 里程计模型的建立 4 6 4 7 2 定位计算的实现 4 8 4 8 数据发送 5 0 4 9 小结 5 0 第五章惯性定位系统的仿真及调试分析 51 5 1 引言 5 1 5 2 惯性传感器的安装 5 1 5 3 电子罗盘调试及结果分析 5 l 5 4 陀螺仪的调试及结果分析 5 2 5 5 定位调试实验 5 5 5 6 j 结 5 7 总结 5 8 目录 参考文献 6 0 攻读硕士学位期间发表论文 6 3 学位论文独创性声明 6 4 学位论文版权使用授权声明 6 4 致谤 6 5 v i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i nc h i n e s e i a b s t r a c t i ne n g l i s h i i i c o n t e n t s i nc h i n e s e v c o n t e n t s i ne n g l i s h v i i i c h a t e r1p r e f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 1 1 3c u r r e n ts i t u a t i o na n d a n a l y s i sa th o m ea n d a b r o a d 3 1 4p r i m a r yc o n t e n t sa n dc o n s t r u c t u r eo fd i s s e r t a t i o n 4 1 4 1 p r i m a r yc o n t e n t so f d i s s e r t a t i o n 4 1 4 2c o n s t r u c t u r eo ft h i st h e s i s 4 c h a p t e r2t h ed e s i g no fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf o r m o b i l er o b o t 6 2 1i n t r o d u c t i o n 6 2 2t h ei n t r o d u c t i o no fw h e e lm o b i l er o b o t 6 2 3t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 8 2 4t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 9 2 4 1f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fs y s t e m 9 2 4 2p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fs y s t e m 9 2 5a r c h i t e c t u r ed e s i g no fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 10 2 6s u m m a r y 11 c h a p t e r 3t h eh a r d w a r ed e s i g no fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rr o b o t 12 3 1i n t r o d u c t i o n 1 1 3 2t h er e q u i r e m e n t so fh a r d w a r ed e s i g nf o ri n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 12 3 2 1t h ef e a t u r e so fg y r os i g n a la n dt h ep r i n c i p l ef a c t o rf o rt h ep r e c i s i o n 3 2 2t h er e q u i r e m e n t so fh a r d w a r ed e s i g n 13 3 3h a r d w a r ed e s i g n 1 4 3 3 1t h es e l e c t i o no f p r o c e s s o ra n dt h ed e s i g no f t h ei n t e r f a c ec i r c u i t 1 4 v n i 3 3 2t h es e l e c t i o no fa c c e l e r o m e t e ra n dt h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i t 3 3 3t h es e l e c t i o no f c o m p a s sa n dt h ed e s i g no f t h ei n t e r f a c ec i r c u i t 2 0 3 3 4t h es e l e c t i o no fg y r oa n dt h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i t 2 1 2 1 3 3 5t h es e l e c t i o no fl o w r i p p l es t a b i l i z e dv o l t a g es u p p l ya n dt h ed e s i g no f t h e i n t e r f a c ec i r c u i t 2 1 6 3 3 6t h ed e s i g no f t h eh i g h p a s sf i l t e r i n g 2 8 3 4h a r d w a r et e s t 2 9 5s u m m a r y 3 0 c h a p t e r 4t h es o f t w a r ed e s i g no fi n e r t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rm o b i l er o b o t 31 4 1t h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so fm o b i l er o b o t 31 4 2t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to f d s p 3 3 4 3t h em a i np r o g r a md e s i g no fs y s t e m 3 3 4 4i n i t i a l i z a t i o no f s y s t e m 3 4 4 4 1i n i t i a l i z a t i o no fd s p 3 4 4 4 2i n i t i a l i z a t i o no fi n e r t i a ls e n s o r 3 5 4 5d a t ac a p t u r e 3 8 4 6d a t af u s i o nb a s e do nk a l m a nf i l t e r i n g 4 0 4 6 1i n t r o d u c t i o no fk a l m a nf i l t e r i n g 4 0 4 6 2d a t af u s i o no fi n e r t i a ls e n s o r 4 2 4 7r e a l i z a t i o no f p o s i t i o n i n gc o m p u t e df o rm o b i l er o b o t 4 6 4 7 1m o d e l i n go f s p e e d o m e t e r 4 6 4 7 2r e a l i z a t i o no fp o s i t i o n i n gc o m p u t e d 4 8 4 8d a t at r a n s m i t i o n 4 9s u m m a r y 5 0 c h a p t e r5s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n ga n a l y s i so fs y s t e m 51 1 1i n t r o d u c t i o n 5l 2i n s t a l l a t i o no fi n e r t i a ls e n s o r 51 5 3s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n g a n a l y s i so fc o m p a s s 51 i x 广东工业大学硕士学位论文 5 4s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n ga n a l y s i so fg y r o 5 2 5 5d e b u g g i n gt e s to f p o s i t i o n i n g 5 5 5 6s u m m a r y 5 7 c o n c l u s i o n s 5 8 r e f e r e n c e s 6 0 t h e s i sp u b l i s h e dd u r i n gs t u d y i n gf o rt h ed e g r e e 6 3 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n to f a c a d e m i cd i s s e r t a t i o n 6 4 c o p y r i g h tl i c e n s es t a t e m e n to f a c a d e m i cd i s s e r t a t i o n 6 4 a c k n o w l e d g m e n t s 6 5 x 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在移动机器人的运动过程中 要不断的检测机器人的运动状态 以实现对机器 人的精确控制 m e m s m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 惯性器件具有体积小 抗冲击 可靠性高 寿命长 成本低等特点 是一类非常适于构建微型捷联惯性定 位系统的惯性传感器 整合加速度传感器 电子罗盘 陀螺仪和里程计 实现一 个所谓的惯性定位单元 使其能够在卫星信号很弱或者根本没有信号的地方提供定 位导航服务 2 1 2 课题的研究背景及意义 移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态 对复杂环境进行自主 分析 判断和决策 实现面向目标的自主运动 从而完成一定作业功能的机器人系 统 3 1 在移动机器人的相关技术中 定位导航技术是机器人真正地实现智能化和完 全自主移动的关键技术 4 定位是移动机器人导航的关键问题和基本前提 5 1 机器人 通过安装在其上的传感器来获取外部环境信息 通过对所获取的信息进行综合处理 和分析 并不断的对自身的位置信息进行修正 才能够在未知环境中完成各项工作 任务 6 1 所谓 定位 是确定移动机器人在其作业环境中所处位置的过程 7 1 目前 应用于移动机器人上的定位方法大体分为相对定位法和绝对定位法 8 主要有视觉 定位 卫星定位 惯性定位等定位方法 目前应用最为广泛的是卫星定位 比如全球定位系统 g p s 它由空间卫星 地面监控设施以及用户接收机三部分组成 g p s 能够为世界上任何地方甚至是外层 空间的用户提供全天候 全时间 连续精确的三维位置 速度信息 9 但其缺点就 是必须接收到至少4 颗卫星信号才能进行定位 1 0 1 特别是当机器人运行在高楼区 隧道 山区 林区等地区时 由于卫星信号受到遮挡 极其容易造成信号失锁 导 致定位精度变差 此外g p s 接收机容易受到外界信号干扰无法正常工作 因此单纯 依靠g p s 进行定位 很难保证定位精度和可靠性 视觉导航定位是利用安装在机器人身上的c c d 摄像头来拍摄路面图像 运用机 广东工业大学硕士学位论文 器视觉等相关技术对路径进行分析和识别 以实现机器人的自动定位的一种新兴的 定位技术 1 1 1 由于视觉定位技术所采用设备通常比较简单 而且成本低 经济性好 具有广泛的应用范围 在理论上也具有最佳的柔性的引导 因此近年来发展非常迅 速 对于移动机器人和智能车辆的定位导航已经取得了初步的成果 通常 机器人 利用装配的摄像机拍摄周围环境的局部图像 然后通过图像处理技术 对机器人进 行自我定位 目前的技术中 可利用f o u r i e r 变换来处理机器人获得的全方位图像 并通过分析 把关键位置的图像经f o u r i e r 变换得到的图像数据存储起来 以此作为 机器人定位的参考点 在之后机器人通过把拍摄到的图像经过变换所得到的数据 与之相匹配 从而能够得到机器人当前位置信息 l2 1 但是 利用机器人来进行定位 容易受到处理器的运算速度和存储容量的限制 由于处理器和视觉传感器一般都是 安装在运动体上 并且图像识别 路径规划等高层决策都由机器人身上的处理器来 完成 所以处理器的工作量会比较大 具有明显的延迟性 而一个真正具有应用价 值的视觉定位导航系统 必须同时具有实时性 鲁棒性 经济性这三个技术特点 惯性定位技术是在上个世纪初发展起来的 惯性定位导航虽然是一种比较先进 的导航方法 但其实现原理却非常简单 主要是通过载体上的传感器测得的加速度 来完成定位导航的任务 l3 1 根据牛顿惯性原理 利用惯性元件 如陀螺仪 加速度计 测量出载体的加速度 进行积分运算得到位置信息 供导航使用 惯性定位不会受 到任何自然条件或环境的干扰和影响 具有连续长时间工作的特点 也具有精度高 的特点 是机器人定位常用的技术 广泛应用于航天 航空 航海和许多民用领域 成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备 能够提供精确的姿态和多种导航 信息 从惯性导航的工作原理和误差分析可以看出 惯性定位系统的自主性很强 它可以连续地提供包括姿态基准在内的全部导航参数 并且具有非常好的短期精度 和稳定性 本课题的研究主要是针对轮式移动机器人工作在室内未知环境下的 比如有火 情的办公楼 或是只有楼层的平面图的环境下 在有火情的办公楼里 由于浓烟等 未知气体的存在 机器人的摄像头所能拍摄到的物体就会模糊不清 而且在封闭的 大楼里 g p s 信号很弱甚至是没有 因此 视觉定位和g p s 定位起到的作用就很有 限 这时 需要惯性定位系统来对移动机器人进行定位导航 在没有g p s 信号和视 觉受限的室内环境下 惯性定位对移动机器人的定位导航起到了重要的作用 因此 对惯性定位的研究具有相当的应用价值 第一章绪论 1 3 国内外相关的研究现状及分析 惯性定位技术 是惯性导航中的一个核心技术 惯性定位系统的核心是惯性器 件 一般由有速度计和陀螺仪组成 在涉及惯性器件的各种技术中 目前出现的一 个重要趋势是将微电子学中的微细加工技术应用到机械行业中 从而得出一种新的 集成微细电子机械 新型惯性传感器用硅 石英和妮酸铿等光电材料制成 在硅芯 片上形成陀螺仪和加速计 这将引起惯性技术的革命性进步 1 4 j 研究报道较多的微 机械电子系统陀螺仪相继出现 目前 激光陀螺和光纤陀螺已经进入了实用阶段 1 5 1 这些惯性传感器的发展不断推动了惯性定位系统性能的提高 惯性定位技术是在上个世纪初发展起来的 早期的惯性系统主要是基于转子式 陀螺平台的 1 6 1 上世纪后期 随着光学陀螺和微计算机技术的日益成熟 m e m s 陀 螺仪已大量进入军民应用领域 目前基于m e m s 的惯性定位系统主要用于中低精度 领域f 1 7 之o 采用旋转调制方式实现惯性系统误差自补偿技术的光学陀螺惯性定位导 航系统受到普遍重视 2 1 1 如如俄罗斯研制的船用 奥米j j n o m e g a 光纤陀螺单轴 旋转惯性导航系统已在某些领域得到应用 2 2 国外陀螺监控技术也较成熟 广泛用 于现在的潜艇 或是舰艇的惯性定位导航系统中 在惯性技术发展的历史过程中 d r a p e r 实验室 s p e r r y 原l i t t o n d e l c o h o n e y w e l l k c a r f o t t r o c k w e l l g e g e n e r a l e l e c t r i c 以及其它 些公司和研究机构 2 3 对惯性定位技术的成熟和广泛应用做出了 卓越贡献 我国的惯性定位技术的研制从7 0 年代开始 经过三十多年的预研与技术攻关 走过了从液浮 陀螺仪 加速度计 到挠性 从平台到捷联 从纯惯性定位导航到惯 性 g p s 组合定位导航的过程 2 4 1 目前 我国自行研制的第一代机载中等精度 高等 精度挠性平台式惯性导航系统已发展成一个系列 并已批量装机使用 低成本 中 等精度的挠性捷联惯性己完成试飞 试用 并进入生产 25 1 但由于受国内制造工艺 水平的限制和国外技术先进国家的技术封锁 高等精度的激光陀螺 光纤陀螺还处 在研制阶段 微机械惯性仪表还处在萌芽期 现在我国自行设计的导弹和卫星用的 惯性仪表与系统已投入小批量生产 运载火箭向太平洋发射的成功 神州系列飞船 的发射成功 标志着这些惯性技术已经达到了相当的水平 我国惯性定位导航与惯 性仪表队伍已经初具规模 具备了一定的自行设计 研制和生产能力 基本拥有了 迅速发展的物质与技术基础 许多高校已经开展了将t i 公司的d s p 芯片应用于惯 广东工业大学硕士学位论文 性导航定位系统的研究 并取得了一定的研究成果 2 6 2 8 同时也进行了组合导航定 位系统设计的大量研究工作 2 9 尽管如此 我国与国外先进技术相比 还有相当的 差距 1 4 本文主要的研发内容和章节安排 1 4 1 本文主要的研发内容 本文主要是基于轮式移动机器人这一实验平台 设计一个轮式机器人惯性定位 系统 该系统是以d s p 为m c u 基于m e m s 惯性传感器和陀螺仪 并融合惯性传 感器和驱动电机光电编码器的信息来获取轮式移动机器人的位置 线速度 角速度 姿态角 最后通过a n d r o i d 手持终端或是p c 机终端显示机器人的定位信息 本文的主要研发内容如下 1 惯性定位系统的总体设计 本章节首先介绍了轮式移动机器人的结构 接着介绍惯性定位的移动机器人的 工作原理 然后介绍惯性定位系统的功能要求和性能要求 最后介绍惯性定位系统 的体系结构 2 惯性传感装置的硬件设计 本章节根据惯性定位系统的设计功能和性能要求 对系统的器件进行选型 根 据所选择的器件对系统的各个部分进行外围接口电路的设计 包括d s p 最小系统设 计 惯性传感器的接口电路设计 低纹波稳压电源电路设计等 为了保证电路设计 符合系统性能指标 最后对整个硬件系统进行测试 3 惯性定位系统的软件设计 本章节首先分析移动机器人的运动学模型 接着介绍惯性定位系统的主程序设 计流程 并对系统的各个模块功能的软件设计进行介绍 然后介绍里程计的实现 最后详细介绍基于卡尔曼滤波算法的数据融合技术以及机器人的定位计算 4 惯性定位系统的仿真及调试分析 本章节首先对电子罗盘的校正功能进行调试 接着对陀螺仪的数据输出进行滤 波处理 通过具体的实验对运行的效果进行分析 找出问题并提出改进的方法 最 后介绍惯性定位实验 4 第一章绪论 1 4 2 章节安排 本文章节安排如下 第二章主要内容是介绍惯性定位系统的总体设计 第三章主要内容是惯性定位系统的硬件设计 第四章主要内容是惯性定位系统的软件设计 第五章主要内容是惯性定位系统功能的调试 广 r 1 k 大学硕士学位论文 第二章移动机器人惯性定位系统的总体设计 2 1 引言 精确定位是实现轮式移动机器人导航的前提 3 0 所以在未知室内环境中 精确 实时地获取机器人的定位信息是一个至关重要的任务 目前应用较多的惯性定位测 量装置主要是由加速度传感器和陀螺仪组成 但陀螺仪在长时间的工作中 会随着 积分误差的累积而产生漂移 它只能工作在相对较短的时间尺度内 因此需要有一 个参照物来纠正陀螺仪的累积误差 传统的方法就是使用加速度计来校正 但是轮 式机器人在运动的过程中 加速度计容易受到机器人加速度的影响 因此 就需要 有一个相对静止的参照物来纠正陀螺仪的累积误差 2 2 轮式移动机器人简介 轮式移动机器人根据轮子的移动特性可分为非全向移动机器人和全向移动机器 人两种 3 1 1 机器人在平面上的运动存在着三个自由度 前后 左右和自转 本课题 所用到的机器人是四轮全向驱动的移动机器人 它能够在平面上沿着任意方向的直 线运动时保持车体姿态不变 并且能够在原地以任意的角度旋转 运动非常灵活 特别是在实时性要求比较高的环境中 全向的运动方式能够大大提高机器人搜索目 标的效率 实时性能得到了改善 四轮全向驱动的移动机器人非常适合工作在有限 的空间中 且对机器人的机动性能要求比较高的场合 例如有火情的办公楼 或是 只有楼层的平面图的环境下 全向轮有效的避免了普通轮子不能侧向运动带来的非 完整性约束 理想状态下能够在任意角度的平面上以任意速度运动 本课题所用到的四轮全向驱动的移动机器人 选用带编码器和变速箱的直流电 机 从而能够对电机工作时的参数进行随时的采集 分析以及对其控制 选用双排 全向轮 目的是让机器人在运动的过程中增强其平稳度 采用了四轮全向移动的运 动方式 使移动机器人具有全向运动能力 能够在平面上向任意方向做直线运动 并且这种结构的车轮能够一边做直线运动一边做旋转运动 以达到运动的最终状态 所需要的任意姿态角 确定四个全向轮互成9 0 放置 因此机器人静止时四个车轮 与绝对坐标系的夹角都是4 5 夹角范围为 0 l 简化设计方案以及减少编程控制 6 第二章移动机器人惯性定位系统的总体设计 的难度 同时也减少了运动控制时的误差 采用在全向轮上面安装支撑轴及其支撑 座 使它们成为一个整体后 加以避震弹簧后安装到车架上 从而让小车在运动的 过程中更好的加强了它的平稳度 车架选用铝合金材料 减轻车辆重量 电源选用 蓄电池供电 可增加其续航能力 下图为轮式移动机器人的俯视图和正视图 成 图2 1 轮式移动机器人的俯视图 f i g 2 lp l a t f o r mo ft h ew h e e lm o b i l er o b o t 图2 2 轮式移动机器人的正视图 f i g 2 2f r o n tv i e wo ft h ew h e e lm o b i l er o b o t 轮式移动机器人由电机驱动系统 惯性定位系统和惯性定位信息显示系统组 机器人的车轮驱动控制处理器选用t i 公司的d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用双d s p 广东工业大学硕士学位论文 控制 一个d s p 芯片为主处理器 另外一个d s p 芯片为从处理器 主从d s p 分别 处理两路的电机码盘信号和输出电机驱动信号 解决了单d s p 要处理四个电机信号 及其他外围事件负担重 实时性难以保证这个缺点 电机采用h 桥可逆p w m 驱动 系统设计 采用闭环调速的增量式p i d 控制算法来控制四个电机的转动 使小车能 够平滑的运动 惯性定位信息显示系统的一个重要功能是其终端显示 具体在a n d r o i d 手持终 端或是p c 机上实现 3 2 首先需要对机器人所处的未知环境进行地图建模 生成有 效矢量的平面地图 其次设计机器人与显示终端的数据通信接口 用来完成机器人 定位信息的传输 通过接口接收到的机器人的位姿信息转换成矢量地图坐标系的坐 标 然后通过定位错误检测算法将机器人位置进行纠正 最后在地图上显示出机器 人的位置 惯性定位系统处于电机驱动系统之上 主要由主控制器 惯性传感器和小车的 里程计组成 主控制器除了对惯性定位装置进行数据采集之外 还需与电机驱动系 统和惯性定位信息显示系统进行通讯 通过从电机驱动系统中获取小车的里程计 计算出小车的运动距离 以便能够对小车进行定位 通过与惯性定位信息显示系统 的通讯 把处理过的惯性定位信息通过数据接口传送到a n d r o i d 手持终端或是p c 机终端 实现对机器人位置的终端显示 2 3 惯性定位系统的工作原理 惯性定位系统是以移动机器人为载体 实时的对机器人的位置信息进行更新 惯性传感器主要由加速度计 电子罗盘和陀螺仪组成 当移动机器人进入操作 人员无法进入的区域 或者是机器人上的g p s 信号很弱或是消失的情况下 机器人 上搭载的惯性定位系统便开始工作 可以通过里程计得到机器人的运动距离 电子 罗盘和陀螺仪可以用来记录机器人的运动方向 陀螺仪随着积分误差