復(fù)雜環(huán)境下的移動機(jī)器人定位算法設(shè)計

王寧佳 張占勝 李 峰 李嘯林

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

復(fù)雜環(huán)境下的移動機(jī)器人定位方法是機(jī)器人研究中的核心內(nèi)容。一般來講，機(jī)器人的定位方式按照信息來源分為3種：第一種是依賴外部GPS等信息進(jìn)行指引定位；第二種是靠自身配置的各類傳感器獲取環(huán)境信息進(jìn)行定位；第三種是依靠慣性傳感器實現(xiàn)自主定位。其中，前兩種定位方式均需要外部信息源作為引導(dǎo)，而使用攝像機(jī)、激光雷達(dá)、超聲波、紅外線和微波雷達(dá)等傳感器定位時對機(jī)器人工作環(huán)境有一定的要求，不適宜復(fù)雜環(huán)境下移動機(jī)器人的定位。

本文研究的定位方法是一種完全自主的機(jī)器人定位方式，受環(huán)境因素干擾較少，因此可以適合移動機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下較短時間內(nèi)的高精度定位。

本文研究的定位方式，是已知初始位置信息，通過濾波、融合等方法，可以解算出定位系統(tǒng)中心在其坐標(biāo)系中的位置姿態(tài)信息，簡單來說就是通過處理上一定位點的位置數(shù)據(jù)，比如說慣性測量單元誤差處理，然后計算相對位移以及姿態(tài)角，獲得當(dāng)前定位點絕對位置數(shù)據(jù)。

1 慣性測量單元誤差處理

在復(fù)雜環(huán)境下的移動定位機(jī)器人算法研究中，慣性測量單元為定位系統(tǒng)測量角度的核心器件，其數(shù)據(jù)處理以及姿態(tài)解算是整個研究中的關(guān)鍵因素。

本文研究的機(jī)器人所采用的慣性測量單元為MPU6050，根據(jù)分析先對慣性測量單元MPU6050的加速計和陀螺儀分別采用12位置重力翻滾法和3位置法對其零偏輸出、標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差角進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 誤差補(bǔ)償流程圖

然后對此類慣性測量單元產(chǎn)生的兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償：由于隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的角速度隨機(jī)漂移產(chǎn)生的隨機(jī)誤差；由于慣性測量單元的零點漂移會隨著溫度的改變而發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移誤差，誤差補(bǔ)償流程圖如圖1所示。

對于溫度漂移誤差本文采用一元線性補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償。具體方法是將陀螺儀的零點漂移與溫度變化的關(guān)系抽象為一次函數(shù)。采用最小二乘法對所采到的溫度值與零點漂移值進(jìn)行擬合。

由于隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的角速度隨機(jī)漂移產(chǎn)生隨機(jī)誤差，我們使用卡爾曼濾波的方式進(jìn)行補(bǔ)償，具體方式如圖2。

圖2 卡爾曼濾波原理圖

2 定位算法設(shè)計

由于前提是已知初始位置，所以定位的方式是，根據(jù)慣性測量單元原始數(shù)據(jù)以及上一定位點位置數(shù)據(jù)計算出運動控制器件目前定位點相對于上一定位點的相對位移以及姿態(tài)角，獲得移動機(jī)器人當(dāng)前定位點絕對位置的相對位移誤差補(bǔ)償量。算法層面的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

將相對于移動機(jī)器人參考系的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對地面的全局參考系加速度量，參考系如圖4所示。對于二維導(dǎo)航系統(tǒng)，N，E為地面參考系的兩軸，φ為移動機(jī)器人相對于N軸的順時針偏轉(zhuǎn)角度，通過將車體初始位置對準(zhǔn)N軸，然后用從慣性測量單元中得到的歐拉角代替φ角進(jìn)行接下來的運算。最后，根據(jù)計算獲得的相對位移誤差補(bǔ)償量，獲得移動機(jī)器人當(dāng)前定位點絕對位置數(shù)據(jù)。

圖3 算法結(jié)構(gòu)圖

圖4 坐標(biāo)變換示意圖

3 結(jié)束語

隨著移動機(jī)器人研究的日益深入和不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的定位問題作為機(jī)器人性能的關(guān)鍵衡量指標(biāo)也越發(fā)重要，機(jī)器人的定位是機(jī)器人得以自主運行和移動的基礎(chǔ)。本文研究的復(fù)雜環(huán)境下的移動定位機(jī)器人算法設(shè)計可以減少移動機(jī)器人室內(nèi)定位算法的定位誤差值，并且為移動機(jī)器人在復(fù)雜地形下工作提供理論依據(jù)。