智能小車的慣性定位

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210000)

目前，隨著智能車輛的出現(xiàn)和進(jìn)一步研發(fā)，GPS全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航成為車輛定位領(lǐng)域的兩大主要技術(shù)。其中GPS技術(shù)，當(dāng)遇到遮蔽時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無法搜索衛(wèi)星定位的情況。而慣性導(dǎo)航技術(shù)則因其依賴性弱，隱蔽性強(qiáng)，更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的一種導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種利用慣性傳感器測量載體的比力及角速度信息，并結(jié)合給定的初始條件實(shí)時(shí)推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于一種推算導(dǎo)航方式。目前，還未有任何一種其它導(dǎo)航手段能夠完全代替慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，這也是當(dāng)今國內(nèi)外軍事技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

1 基于陀螺儀和加速度器進(jìn)行慣性定位的基本原理

1.1慣性定位的基本原理。常規(guī)慣性定位系統(tǒng)采用加速度計(jì)和陀螺儀傳感器來測量載體參數(shù)，其中，陀螺儀用來形成一個(gè)定位坐標(biāo)系使加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來測量運(yùn)動(dòng)體的加速度經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次和分得到速度，速度再經(jīng)過對(duì)時(shí)間的一次積分即可得到距離，從而達(dá)到對(duì)載體導(dǎo)航定位的目的。

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將慣性器件陀螺儀、加速度計(jì)構(gòu)成的慣性測量單元直接與載體固聯(lián)，測量得到的載體角速度與線運(yùn)動(dòng)參數(shù)是沿載體固聯(lián)的坐標(biāo)軸上的分量。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過計(jì)算“姿態(tài)矩陣”可以將加速度信息轉(zhuǎn)換到慣性坐標(biāo)系或當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)“數(shù)學(xué)平臺(tái)”，然后再進(jìn)行速度及位置計(jì)算。

1.2加速度計(jì)原理。加速度傳感器利用重力加速度，可以檢測設(shè)備的傾斜角度，加速度計(jì)在慣性參照系中用于測量小車的線加速度，但只能測量相對(duì)于小車運(yùn)動(dòng)方向的加速度。通過以慣性參照系中小車初始方位作為初始條件，對(duì)加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以時(shí)刻得到小車的相對(duì)位移。

1.3角速度傳感器-陀螺儀原理。在四軸上安裝陀螺儀，可以測量四軸傾斜的角速度，將角速度信號(hào)進(jìn)行積分便可以得到四軸的傾角。由于陀螺儀輸出的是四軸的角速度，不會(huì)受到四軸振動(dòng)影響。

加速度計(jì)在較長時(shí)間的測量值是正確的，然而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號(hào)噪聲及運(yùn)動(dòng)方向加速度的存在，會(huì)有很大的誤差。陀螺儀測得的是角速度，在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確，而較長時(shí)間則會(huì)有積分漂移產(chǎn)生誤差。因此，需要兩者相互調(diào)整融合來確保姿態(tài)角的正確。

2 方案設(shè)計(jì)

本文選擇使用MPU6050傳感器、超聲波、藍(lán)牙器件，并利用Arduino平臺(tái)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航方式來實(shí)現(xiàn)小車的定位。

2.1、數(shù)據(jù)獲取及傳輸。將MPU6050傳感器直接與小車固聯(lián)，利用MPU6050六軸運(yùn)動(dòng)處理模塊，首先采集三軸加速度，將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)平臺(tái)用于計(jì)算歐拉角。

使用Arduino平臺(tái)來完成運(yùn)行算法代碼的編寫，用于控制智能小車的運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)避障以及進(jìn)行傳回?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算。

利用超聲波簡單易用、性能穩(wěn)定、靈敏度高、測距距離精確的特點(diǎn)進(jìn)行小車的測距，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

安裝藍(lán)牙用于小車與電腦的通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2、數(shù)據(jù)處理。由慣性定位原理可以通過測量的加速度來計(jì)算小車的相對(duì)位移，為了實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位，繼續(xù)研究陀螺儀和加速度計(jì)的誤差模型。通過分析可以提出誤差模型，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。影響陀螺儀誤差的主要因素是零點(diǎn)漂移誤差，而影響加速度計(jì)誤差的主要因素是溫度漂移誤差。

陀螺儀誤差模型為：

?h=εc+ ?r+ ?g(1)

其中， ?c為零點(diǎn)偏移， ?r為隨機(jī)白噪聲，均方差為常值 ?g為階馬爾科夫過程漂移。

加速度計(jì)誤差模型為：

λ=λr+ ?a(2)

其中：λr為溫度漂移，均方差為常值 ?a為以及隨機(jī)馬爾科夫過程漂移。

通過計(jì)算可得出加速度計(jì)的綜合誤差是：

又根據(jù)陀螺儀角度計(jì)算公式可以得到陀螺儀角度誤差為：

最后將處理過后的數(shù)據(jù)傳入串口中，并存儲(chǔ)在.txt文件中用Matlab讀取和處理，在Matlab中將傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并畫出軌跡圖。

3 成果展示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為小車可以通過遙控器行走并將其軌跡在電腦上顯示，通過結(jié)果圖可看出小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障和定位的功能。

4 總結(jié)

雖然慣性定位系統(tǒng)長期的精度性還有待提高，但對(duì)于小車這樣的小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器來說，基于陀螺儀和加速度計(jì)的慣性自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅定位可靠，精度也較高，并且價(jià)格低廉，可以應(yīng)用

于GPS盲區(qū)對(duì)汽車的定位或室內(nèi)輪式巡航機(jī)器人的定位與導(dǎo)航。慣性傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正向小型化、捷聯(lián)化、組合導(dǎo)航的方向發(fā)展。多系統(tǒng)融合，自動(dòng)故障檢測、隔離，智能導(dǎo)航和友好的人機(jī)交互界面將是未來導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)。由此可見，慣性定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，?huì)在未來導(dǎo)航定位系統(tǒng)中扮演重要角色。