王寧佳 張占勝 李 峰 李嘯林

(沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)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(lái)講，機(jī)器人的定位方式按照信息來(lái)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(shí)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(shí)對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下較短時(shí)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(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)處理上一定位點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，比如說(shuō)慣性測(cè)量單元誤差處理，然后計(jì)算相對(duì)位移以及姿態(tài)角，獲得當(dāng)前定位點(diǎn)絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。

1 慣性測(cè)量單元誤差處理

在復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)定位機(jī)器人算法研究中，慣性測(cè)量單元為定位系統(tǒng)測(cè)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(gè)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(cè)量單元為MPU6050，根據(jù)分析先對(duì)慣性測(cè)量單元MPU6050的加速計(jì)和陀螺儀分別采用12位置重力翻滾法和3位置法對(duì)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(duì)此類慣性測(cè)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(cè)量單元的零點(diǎn)漂移會(huì)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(duì)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(diǎn)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(duì)所采到的溫度值與零點(diǎn)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(jì)

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(cè)量單元原始數(shù)據(jù)以及上一定位點(diǎn)位置數(shù)據(jù)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)控制器件目前定位點(diǎn)相對(duì)于上一定位點(diǎn)的相對(duì)位移以及姿態(tài)角，獲得移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前定位點(diǎn)絕對(duì)位置的相對(duì)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(duì)于移動(dòng)機(jī)器人參考系的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)地面的全局參考系加速度量，參考系如圖4所示。對(duì)于二維導(dǎo)航系統(tǒng)，N，E為地面參考系的兩軸，φ為移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)于N軸的順時(shí)針偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)將車體初始位置對(duì)準(zhǔn)N軸，然后用從慣性測(cè)量單元中得到的歐拉角代替φ角進(jìn)行接下來(lái)的運(yùn)算。最后，根據(jù)計(jì)算獲得的相對(duì)位移誤差補(bǔ)償量，獲得移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前定位點(diǎn)絕對(duì)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(yǔ)

隨著移動(dòng)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(wèn)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(yùn)行和移動(dòng)的基礎(chǔ)。本文研究的復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)定位機(jī)器人算法設(shè)計(jì)可以減少移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位算法的定位誤差值，并且為移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜地形下工作提供理論依據(jù)。