微小型移动机器人组合导航定位系统的研究

论文摘要

微小型移动机器人有其应用的特殊性,在体积、功耗、成本等方面都有要求。移动机器人的导航定位是利用环境信息以及传感器的观测值等输入信息,经过处理产生对机器人当前位姿的估计,导航定位技术是移动机器人的重要研究方向。本文比较了多种移动机器人导航定位技术,综合研究了几种已有的微小型移动机器人导航定位系统,针对现有的微小型移动机器人平台,提出了一种新的组合导航定位系统的解决和配置方案,并实现了捷联惯导的解算以及传感器的信息融合。本文的主要工作内容如下:首先,本文采用了惯导法与测程法相结合的组合导航定位方式,并构建了微小型移动机器人的导航定位系统。系统的软硬件包括:基于ARM7处理器的中央硬件平台,采用MEMS陀螺和加速度计在空间上构建的微型捷联惯性测量单元,由随动轮机构以及CPLD码盘信号处理单元组成的位置测量模块,基于双缓冲队列并遵循自定通信协议的通信模块,以及移植μC/OS-II嵌入式操作系统进行任务设计的软件平台。其次,研究并实现了在导航定位问题上的算法,包括针对MEMS器件的信号特点的数字信号处理算法,在此基础上进行了单轴航向与位置的解算。为了获得机器人实时的空间姿态,本文应用捷联惯导姿态方程进行解算,并通过计算量、误差分析以及静态误差实验对算法和解算效果进行了比较。为了实现更优的导航定位效果,本文还研究了一种基于模糊专家系统的移动机器人组合导航定位系统传感器信息融合技术,将本系统中加速度计、陀螺仪的数据进行融合并实现。最后,为了验证导航定位系统软硬件及相关算法设计的有效性,本文构建了实验平台,通过不同的算法相应地进行了机器人航向角/姿态角估计及位置估计的实验验证及分析,并测试了系统的时漂特性,对系统的性能进行了实际检验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与课题背景
• 1.2 移动机器人导航定位技术综述
• 1.3 国内外在微小型移动机器人导航定位系统的研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 导航定位系统的设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统总体方案
• 2.3 系统功能模块单元设计
• 2.4 嵌入式软件系统架构及设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 微小型移动机器人组合导航定位算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 单轴系统的算法设计
• 3.3 捷联惯导系统的实时姿态解算算法应用研究
• 3.4 组合导航定位系统传感器信息融合算法研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统实验及分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验平台的构建
• 4.3 移动机器人航向角/姿态角估计实验
• 4.4 移动机器人位置估计实验
• 4.5 系统时漂特性实验
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢