GPS在移动机器人定位系统中的应用研究

论文摘要

随着社会信息化程度的发展,高性能的自动化系统在工业、农业、国防等各个领域备受关注。其中,多机器人网络分布式结构是目前一个重要的发展方向,在多机器人的协作与导航中,机器人的精确定位一直是研究的热点问题。GPS导航技术是移动机器人自主导航最先进的手段之一,随着GPS实际应用需求的不断增加以及理论的日臻完善,差分GPS技术的出现使GPS的定位精度有了质的飞跃,大大扩展了GPS应用领域。当RTK技术与计算机技术、现代通讯技术、网络管理技术等结合,产生了最新的具有定位精度高、覆盖范围广、操作简便等优点的VRS技术,并逐渐成为移动机器人定位研究的一个热点。本文将针对移动机器人定位系统的构造和差分改正数的生成展开研究,论文的主要内容和研究成果如下：(1)研究了一个完整的机器人定位系统的各个组成部分,包括GPS板卡、天线、无线信道和信息处理终端,从硬件层面上搭建了一个GPS定位系统。对影响定位精度的各种误差源进行了分析,指出在短基线的前提下使用差分方程线性组合的方法可以有效地克服和减弱卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应误差等对精度的影响。(2)分析了各种差分GPS算法的优劣性,主要研究单点精度最高的载波相位差分以及载波相位差分改正数生成过程。并通过对差分消息按RTCM协议的编解码、卫星坐标的精确计算、坐标的转换和差分消息的无线可靠传输等方面的研究,在软件层面上实现了单基站移动机器人定位系统。(3)对单基站多机器人定位系统进行了静态和动态的精度分析,分析表明差分算法可以有效地将机器人运行过程中的定位精度提高一个数量级,并大幅度减少了点漂移和动态路径轨迹断路的现象。(4)对VRS系统的基本概念、系统构造和工作流程进行了研究,并在此基础上研究了基于VRS的多机器人定位系统的组成和VRS差分改正数的生成过程以及分析了静态和动态定位精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 移动机器人定位研究的背景
• 1.2 机器人定位的研究现状
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 基于差分GPS的机器人定位系统程序设计
• 2.1 定位系统中卫星位置的计算
• 2.2 机器人定位误差分析
• 2.3 机器人坐标的转换
• 2.3.1 大地坐标和空间直角坐标的转化
• 2.3.2 大地坐标到高斯平面直角坐标
• 2.4 定位系统中差分消息的编解码
• 2.4.1 RTCM解码及结果分析
• 2.4.2 自定义差分消息的编解码
• 3 单基站移动机器人定位系统的实现及精度分析
• 3.1 移动机器人定位系统硬件组成
• 3.2 单基站移动机器人定位系统的系统构造
• 3.3 载波相位差分算法研究
• 3.3.1 载波相位差分算法
• 3.3.2 载波相位差分中模糊度解算实验及结果分析
• 3.3.3 载波相位差分移动站坐标生成算法
• 3.4 单基站载波相位差分GPS定位系统精度分析
• 3.4.1 基站坐标的确定
• 3.4.2 静态定位分析
• 3.4.3 动态定位分析
• 3.4.4 无卫星信号时的航迹推算
• 3.4.5 系统定位分析小结
• 4 虚拟参考站技术在移动机器人定位系统中应用研究
• 4.1 VRS系统组成及工作原理
• 4.2 机器人定位系统中VRS差分算法研究
• 4.2.1 基于载波的VRS双差改正数的生成算法
• 4.2.2 VRS移动站坐标生成算法
• 4.3 移动机器人VRS定位系统精度分析
• 4.3.1 VRS静态定位精度分析
• 4.3.2 VRS动态路径精度分析
• 4.3.3 VRS定位分析小结
• 5 结论与不足
• 致谢
• 参考文献