（测试计量技术及仪器专业论文）移动机器人组合自主定向系统的研究及应用.pdf

摘要 摘要 论文以自制的移动机器人“探索者”为实验平台，对h m r 3 0 0 0 电子罗盘进行了研究，分析了 影响电子罗盘测量精度的误差来源，并在此基础上提出了相应的校正方法，而后对电子罗盘的实验 数据进行了噪声误芳建模，用滤波算法实现了定向系统中传感器的数据融合，设计一组合定向系统 增强了移动机器人在未知环境下的定向及定位精度。 作为一种航向测量装置，电子罗盘根据地磁原理计算磁航向角。导致电子罗盘的误差冈素很多， 当电子罗盘安装在载体上时，干扰磁场引起的磁罗差是对航向精度影响最大也是最难以控制的误差 源。论文首先对影响电子罗盘h m r 3 0 0 0 的磁罗差进行分析，针对电子罗盘不同的输出方式，研究了 八方向二乘法以及椭圆假设补偿法两种误差补偿方法。在对实验采集的数据进行分析的基础上，提 出了针对不同实验环境下采片j 不同误差模型的区域八方向二乘法，并通过实验验证了误差补偿算法 的有效性。 而后对电子罗盘数据进行噪声误筹建模，将实验采集数据绘制的曲线与理想的高斯曲线进行对 比，实验证明，理想情况下h m r 3 0 0 0 电子罗盘的噪声误著模型基本符合高斯曲线。为电子罗盘与 角速率陀螺仪进行卡尔曼滤波提供了理论依据。 电子罗盘和角速率陀螺仪为航向系统中提供高品质航向信息的基础部件，为了获得移动机器人的航 向信息，需要考虑将两种传感器信息进行融合以获得较精确的角度信息。论文中对卡尔曼滤波和无 迹卡尔曼滤波分别进行了研究，通过将两种滤波方法对角度融合的数据进行对比最后考虑采用卡尔 曼滤波来进行数据融合。而后设计了一个以角速率陀螺仪为主传感器。电子罗糯为辅助传感器的组 合定向系统，并通过实验说明滤波后的组合测向系统测量的角度信息更加准确。 该系统以单片机作为控制核心，电子罗盘和角速率陀螺仪分别被用来采集载体航向角度以及角 速率数据，将这些数据进行相应的处理后，再以i j a r t 的串口通信方式传输给外设接口。实验证明 该组合航向系统具有体积小、重量轻、工作性能可靠的特点，并有效地提高了航向测鼍的精度。 关键字：数字磁罗盘罗差误差补偿卡尔曼滤波 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i sw a sb a s e do nt h es e l f - m a d em o b i l er o b o t “e x p l o r e r d i g i t a lm a g n e t i cc o m p a s sh m r 3 0 0 0w a s r e s e a r c h e d ，c o m p a s se r r o rw a sa n a l y z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e c t i o nm e t h o dw a sr a i s e d ，a n dt h e na l l e r r o rm o d e l i n gb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t aa b o u te l e c t r o n i cc o m p a s sw a ss e tu p k a l m a nf i l t e ra n d u n s c e n t e dk a l m a nf i l t e rw a su s e dt or e a l i z et h ed a t af u s i o na b o u td i r e c t i o n a li n f o r m a t i o ni n d e p e n d e n t , t h e m o b i l er o b o ti nu n k n o w ne n v i r o n m e n to r i e n t a t i o na n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yw a se n h a n c e d a sah e a d i n gm e a s u r i n gd e v i c e ，g e o m a g n e t i cp r i n c i p l ew a su s e dt oc a l c u l a t et h em a g n e t i ch e a d i n g a n g l eo fm a g n e t i cc o m p a s s t h e r ew e r em a n yr e a s o nc a u s e dc o m p a s se r r o r m a g n e t i cd e v i a t i o nc a u s e db y i n t e r f e r e n c em a g n e t i cf i e l dw a st h em o s td i f f i c u l tt oc o n t r o ls o u r c e sw h e nm a g n e t i cc o m p a s sw a si n s t a l l e d i nt h em o b i l er o b o t m a g n e t i cd e v i a t i o no ft h ed i g i t a lc o m p a s sh m r 3 0 0 0w a sa n a l y z e da tf i r s t , e i g h t d i r e c t i o nl e a s ts q u a r e sm e t h o da n de l l i p s eh y p o t h e s i sw a su s e df o rd i f f e r e n to u t p u to fe l e c t r o n i cc o m p u s s a n e wm e t h o dw h i c hw a sc a l l e dr e g i o n a le i g h td i r e c t i o nl e a s ts q u a r e sm e t h o dt h a tw a su s e dt oc o m p e n s a t e m a g n e t i cd e v i a t i o nw a sp u tf o r w a r d b e c a u s ek a l m a nf i l t e rw a sw a n t e dt ou s ef o rd a t af u s i o n ，s oi tw a si m p o r t a n tt os e tu pm o d e lo f h m r 3 0 0 0 ，c u r v ed r a w i n gb ye x p e r i m e n t a ld a t aa n di d e a ld a t aw a sc o m p a r e d ，t h ee r r o rm o d e lo f h m r 3 0 0 0t h a tc o r r e s p o n d sg a u s s i a nc u r v ew a sr e a l i z e db yt h ee x p e r i m e n t t h e o r e t i c a lb a s i sw a sp r o v i d e d f o rd a t af u s i o no f d i g i t a lc o m p a s sa n dg y r o s c o p eu s i n gk a l m a nf i l t e r d i g i t a lc o m p a s sa n dg y r o s c o p ew h i c hc o u l dp r o v i d eh i 【g hq u a l i t yh e a d i n gi n f o r m a t i o nw a st h eb a s i c c o m p o n e n to fh e a d i n gs y s t e m i no r d e rt og e th e a d i n gi n f o r m a t i o no fm o b i l er o b o t ，d a t af u s i o no ft w o s e n s o r sw a su s e dt og e ta c c u r a t eh e a d i n gi n f o r m a t i o n k a l m a nf i l t e ra n du n s c e n t e dk a l m a nf i l t e rw a s r e s e a r c h e di n d e p e n d e n t t h e nac o m b i n e dh e a d i n gs y s t e mt h a tc o m p o s e do far a t eg y r o s c o p ea n dad i g i t a l m a g n e t i cc o m p a s sw a sd e s i g n e d m o r ea c c u r a t eh e a d i n gi n f o r m a t i o nw a sg o tb ye x p e r i m e n tu s i n gt h e c o m b i n e dh e a d i n gs y s t e m m c uw a sa p p l i e da sc o n t r o lc o r e ，ad i g i t a lm a g n e t i cc o m p a s sa n dar a t eg y r o s c o p ew a su s e dt oc o l l e c t h e a d i n ga n g l ea n da n g u l a rr a t ed a t a , a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a su s e dt ot r a n s m i s s i o nd a t at o t h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ea f t e rt r e a t i n gd a t a e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o no fh e a d i n gs y s t e mh a s s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t , r e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t h e a d i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lm a g n e t i cc o m p a s sm a g n e t i cd e v i a t i o n e r r o rc o m p e n s a t i o nk a l m a nf i l t e r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 熬盘日期：2 盟鳢。垒厶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图+ 1 5 馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：孤燕导师签名垒兰垒垒日期： = ! 盟垒垒芝z 第一章绪论 第一章绪论 机器人( r o b o t ) 是2 0 世纪人类最伟大的发明之一。机器人技术的发展成为一个国家高科技水 平和工业自动化程度的重要标志。机器人除了在工业领域得到了，“泛的应用，还以惊人的速度不断 向医疗、军事、娱乐等非工业领域扩展。 目前国际上对机器人的概念己经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会( r i a ) 于1 9 7 9 年给机器人下的定义“一种可编程和多功能的，刚米搬运材料、零件、工具的操作机或是为 了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统”。 自主移动机器人，是机器人研究领域中的一个重要分支，它指在完全未知环境中，实时自主运 动的，集人j i j 智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体的系统【2 】，跨 计算机、自动控制、机械、电子等多学科，成为当前机器入研究领域的热点之一。关于自主移动机 器人的研究涉及许多方面如环境识别、控制体系及导航或路径规划等。随着人工智能、智能控制技 术和计算机技术的快速发展以及各项关键技术的提高与突破，移动机器人在军事侦察、宁宙探测、 空间开发、扫雷排险等危险与恶劣工作环境和真空洗尘、楼宁清扫、农业播种、草坪修剪等服务行 业得到越来越广泛应用1 3 1 。 1 1 移动机器人的发展现状 1 1 1 国外移动机器人的发展现状 国外移动机器入的研究具有较长的历史，w g r e yw a l t e r ( 1 9 1 0 1 9 7 7 ) 研制的e l s i e | 4 1 是文献记载 的第一个移动机器人。1 9 6 8 年，美国斯坦福国际研究所研制了移动式机器人s h a k e y l 5 j 。6 0 年代后期， 美国和苏联为完成月球探测计划，各自研s d ：t - 应用了自己的空间机器人。美国“登月者2 0 号”在无 人驾驶的情况下，降落在月球表面，自山行走，钻削岩石，并把十壤和岩石样品装进酮收容器送回 了地球1 6 l 。1 9 7 0 年在美国召开了第一届国际：r = 业机器人学术会议。其后，机器人的研究得到迅速广 泛的普及。1 9 7 3 年，辛辛那提米拉克隆公司的理杏德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工 业机器人，它是液乐驱动的，能提升的有效负载达4 5 公斤。1 9 7 9 年日本研制了世界上第一辆陆地 自主车( a l v ) i 7 l 。同时期美国也住臼主移动车领域投入人量资金和研发力量，= j f ：在上1 砖纪八十年 代取得了很大进展，特别是美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 制定了地面无人作战平台的战略计划 【8 】【9 j ，并投资6 亿美元用丁地面自主车辆的研究，在全球掀起了研究自主移动机器人的序幕，如日本 通产省组织的极限环境下作业的机器人计划【l o l 和欧洲尤里譬中的机器入计划【l l j 等。 随后的2 0 多年里美国、欧洲和日本都在移动机器人研究领域获得了不同稃度的进展。美国的公 司m a r t i nm a r i e t t a 作为美国国防高级研究计划局a l v 项目的承包商在1 9 8 6 年就成功开发了可以在 非结构化道路上以1 0 k m h 的速度行驶的自主移动车1 1 2 1 。c a r n e g i em a l l o nu n i v e r s i t y 的n a v l a b l l l l 3 儿1 4 】 可以5 0 6 0 k m h 的速度在存在水渍和阴影的环境中自主行驶，并在1 9 9 8 年完成了从匹兹堡到加州的 穿越美国火陆实验。 除了a l v 以外，更多应用领域的智能移动机器人从结构化的_ t 作环境走向复杂未知的动态环境 中。由美国n a s a 资助研制的“丹蒂l i ”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的 了解和远程机器人探险的行走机器人。它于1 9 9 4 年在斯珀火i l j 的火山口中进行了成功的演示。丹蒂 计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方 案。美国p r o b o t i c s 公司1 9 9 9 年生产的c y e 小型家川移动式服务机器入，它可牵引一辆小型拖车在 室内运送饮料、信什等生活用品，或牵引吸尘器进行室内清扫一l ：作：美国d e n n i n g 公司与w i n d s o r 工 业公司9 0 年代初合作生产的地面吸尘r o b e s c r u b ，它采j h j 超声传感检测障碍，并配有高精度激 光导航系统。h e l p m a t e 公司还设计了医用物品运输机器人，日本h o n d a 公司设计了仿人机器人p i 和p 3 1 15 1 。 美国航空暨太空总署研制的火星探n 秽l 器人“索杰纳”于1 9 9 7 年登上火星。德国研制了一种轮 椅机器人，并在鸟尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1 9 9 8 年汉诺威 ：业商品博览会的展览大厅 环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有人量乘客的环境中，进行了超过 3 6 个小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的。美国的另外 两个火星漫游者机器人“勇气号”与“机遇号”，分别在2 0 0 4 年1 月3 日及2 4 日登陆火星，按照最 初的设计，两部漫游者机器人将会在火星上：t ：作9 0 个火星日，然而出人意料的是，漫游者的健康状 况非常好，目前已经工作超过1 0 0 0 个火星日【怕儿1 。 东南大学硕上论文 2 0 0 4 年3 月1 3 日，作为研制无人驾驶作战车计划的一部分，d a r p a 在美国西部的莫哈维沙 漠组织了首次无人驾驶车赛，其中c m u 的基于h m m w v ! 话i1 1 9 j ( 类似于i e e p ，由悍马车改造) 的 n a v l a b 移动机器人系统取得了最好的成绩，在越野环境下自主行驶了7 4 英里，它还配备了扫描 雷达、立体影像系统、扫描测距雷达系统、地图绘制工具、方位评估系统以及强大的计算系纠2 们。 美国将t - 2 0 0 9 年1 2 月向火星发射名叫“火星科学实验窒”的第三代火星车。它将于2 0 1 0 年 1 0 月抵达目的地，它重达6 0 0 公斤，长度是“勇气号”和“机遇号”的2 倍多，携载这辆火星车的 整个飞船总重达3 吨，造价9 亿美元。能源供应将依靠核能；高大的轮子使它行动很快，能够在坡 度为6 0 度的斜坡上正常行驶；在电子导航设备的引导下，它就可以开剑科学家感兴趣的地方工作。 总体看来，国外移动机器人的研究起步早，发展快，6 0 年代开始关于移动机器人的研究，7 0 年 代初，移动机器人的研究主要方向是基于虑朋人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、 规划和控制。7 0 年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。 特别是在8 0 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。9 0 年代以来，移动机器人进入更高 层次的研究，包括研制高水平传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境 下的规划技术等。 1 1 2 国内移动机器人的发展现状 国内对移动机器人的研究虽起步较晚，但国内对移动机器人研究的响应也一直是非常热烈， 如，中科院自动化研究所，北京航空航天大学，上海交通入学，哈尔滨j = 业大学，清华大学、国防 科技人学、大迮理一r 大学、沈| ；i l 自动化所以及北京自动化研究所、海尔公司等一批科研院校和公司 相继进行了研究和开发。国内的移动机器人研究主要经历了三个阶段：算法的研究和仿真阶段、国 外机器人平台引进阶段和自主开发阶段。 清华人学计算机系智能技术与系统国家重点实验室在国家科：l ：委和国家计划的资助下，于1 9 8 8 年开始研制t h m r 系列移动机器人系统，在移动机器人的自主式系统、体系结构、传感器信息的获 取与处理、路径规划与立体视觉、感知动作、多行为控制、通讯与临场感技术上进行了较为深入的 研究，并完成了多项整体实验。t h m r 1 i 2 1 儿2 2 i 在自主道路跟踪时达到5 1 0 k m h ，避障时达5 k m h 。 2 0 0 3 年7 月，他们义研制出新一代自主移动机器人t h m r v 【2 3 1 ，该自主车设计车速高速公路为 8 0 k m h ，一般道路为2 0 k m h 。兼有面向高速公路和一般道路的功能。t h m r v 车体采用道奇7 座厢 式车改装，装备有彩色摄像机神f 激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统；由差分g p s 、磁罗盘和 光码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉处理，完成信息融合、路径规划、 行为与决策控制等功能。四台i p c 工控机分别完成激光测距信息处理、定位信息处理、通讯管理、 驾驶控制馋功能。设计车速高速公路为8 0 k m h ，一般道路为2 0k m h 。目前已能够在校园的非结构 化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。 f r o n t i e r - 1 自主移动机器人是上海交通大学自动化研究所和机器人研究所联合研制的高性能 全自主移动机器人产品。f r o n t i e r 1 采用t id s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 运动控制芯片，装配订全方位彩 色视觉和前向彩色视觉传感器、8 个环绕分布的超声波传感器、s i c kl m s2 0 0 激光测距仪，机载控 制器为p 4 笔记本电脑，最人速度可达2 m s 2 4 】【2 5 1 。c a s t a i 是中科院自动化所研制研发的集多种传 感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。它的基本结构由传感器、控制器以及 运动机构构成，其中传感器由以下几个部分组成：位于机器人底层的1 6 个触觉红外传感器，位于机 器人中问两层的1 6 个超声传感器和1 6 个红外传感器，以及位丁机器人顶部的摄像机。这些传感器 和c c d 一起构成了移动机器人的多传感器系统。c a s i a i 身高8 0 c m ，直径4 5 c m ，运行最大速度为 8 0 c m s 。 沈阳自动化所研制的激光导引a g v 是国家“8 6 3 ”计划攻关项目之一，拥有该领域内我国唯一 自主产权，通过无线网络通讯，采h j 激光导航或磁场导航技术，保证了a g v 快速行走，精确定位， 具有工作区域内全方位自由行走，自动安全避让等功能。 由南京理工大学和北京理工人学、浙江人学、国防科技大学、清华人学等多所院校联合研制的 军用室外移动机器人7 b - 8 系统于1 9 9 5 年1 2 月通过验收。其直线跟踪速度达到2 0 k m h ，避障速度 达到5 1 0 k m h 。 火连理+ r 大学的信息与控制研究中心在2 0 0 1 年从瑞十联邦学院引进了三台s m a r t r o b 移动机器 人，进行移动机器人的环境建模和智能控制等相关研究。s m a r t r o b 移动机器人基于工业级标准制 造，具有完善的机器人控制系统和传感器系统以及网络功能1 2 6 j 。 此外，上海火学的“导购机器人”及哈： 人机器人研究所的“导游机器人”等在这峰机器人上 都比较成功地应用了多传感器的信息融合和路径规划技术，具有了一定的自主功能，其中哈工人机 2 第一章绪论 器人研究所的“导游机器人”还具有一定的语音功能。中国海洋大学研制成功的新型导医机器人“导 医小姐”海福利和“护士助手”海乐福，全都采用了红外导航、机器人环境模式识别的导航技术， 达剑局部的自主性。哈尔滨工业大学机器人研究所开发的爬肇机器人，则可用于高空极限作业 从总体上看，我国研制的智能移动机器人都达到了1 址界同类产晶的同期水平。但由于应用背景 和市场需求的限制，前一阶段，我国进行智能移动机器人研究的机构为数不多，使我困移动机器入 的研究显得势单力薄，目前许多大专院校和科研机构都开始着手移动机器人的研究和开发工作，这 必将增强我国移动机器人的研究实力，为军用和民j 开发更多更好的移动机器人。 1 2 组合航向系统 移动机器人定位问题一直是自主移动机器人研究的热点及关键技术，而移动机器人如何确定自 己的位置中的一个重要的问题就是让移动机器人知道自己的航向角。常见的用丁测鼙移动机器人的 角度信息的传感器有电子罗楹、角速率陀螺仪等。但是由于电子罗楹航向输出极易受外界磁场的干扰 而使精度降低，而惯性器件角速率陀螺仪又存在误差飘移，且误差随着时间而积累，必须每隔段时间进 行校正，并且角速率陀螺仪无法知道初始的绝对角度。冈此如何研究将两种传感器进行信息融合既能够获 得移动机器人初始角度信息义能够在移动机器人运动过程中获得比较精确的角度信息对于移动机器人的 定位有着非常重要的意义。 1 2 1 磁罗盘的发展历史 磁罗盘的雏形是指南针。指南针是我国古代的四人发明之一，在我国科技文化史上有着重要的地位。 早在公元前3 0 0 年左右战固末年，就发现了磁石和它的吸铁性。到公元5 0 年左右( 东汉末年) ，便确定了 磁f i 的极性，研制出了世界上最甲的指南针：司南。到了元代出现了在指南针四周加上2 4 个方位的指示 盘，称之为罗糯1 27 。列j 。也有说法把罗盘早期称“司南”，中期称“指南针”、“地螺”，晚期称为“针盘”、 “子午盘”、“罗经”、“罗镜”、“罗星”、“罗盘针”等例。 剑2 0 世纪初，人们对罗盘的材料和机械结构进行了改进，使其性能有了很大的提高。其中最具代表 性的是支撑式罗盘和液浮式罗盘。这种罗盘采用的是地球磁场对永久磁铁作川的原理制成的，其性能是靠 材料和机械结构来保证的，冈此我们称其为机械式磁罗楹，它所指示的方向称为磁航向。 山丁肠i 理f 6 1 制，机械武磁罗箍存在问题，即由于驾驶舱内不可避免的仃许多铁磁利料，它们对地磁场 的影响使罗盘读数产生很大的误差。为了克服这个问题，- 二战期间f j j 现了远读磁罗盘。远读磁罗盘是将机 械式磁罗盘与电器装置组合在一起，通过感受磁针的位置获得电信号，并通过随动系统带动指示器指示磁 航向。有了这套系统，就可将磁罗盘安装在远离磁材料的地方，从而解决了铁磁材料对磁航向影响的问题。 上1u = 纪人十年代以后，机载惯性导航技术、g p s 全球定位系统和各种无线电导航系统的相继问1 廿，使得磁 罗辙成为应急的航向仪表剐刚。随着微处理器技术的飞速发展，使磁罗盘进入了新的发展时期。过去复杂 的机械结构和随动系统均能被微处理器的强人功能所取代，进而出现了数字磁罗盘。数字磁罗盘具有结构 简单、体积小、重鼙轻、启动快、成本低等优点，近年来己被广泛地应用于车辆定位、钻井测蔑、野外勘 探、个人手持式导航设备等蚶 j 领域以及现代武器设备如无人机、小耍4 舰船等军j f j 领域。冈此对数字磁罗 柱的研究得剑了越来越高的重视i 引儿3 2 j 。此外，随着科学技术的发展，人们开始利用无线电波来确定船 只在大海中的航向，这就是无线电测向仪，由于它起到了罗盘的作用，所以称为“无线也罗盘”。无 线电罗盘的出现，使导航系统成为航行中真正可以依赖的工具，具有划时代的意义【3 3 】。 1 2 2 组合测向系统 航向信息是载体运行中是一个必不可少的参数，它表征航向测量系统的测量精度和输出结果的可靠 性。 组合测向系统是利j j 载体( 飞机、舰船、车辆等) 上两种或两种以上的传感器提供多重信息，构成一 个多功能、高精度的航向系统，它有利于充分利用各个设备进行功能互补，因而成为航向系统发展的新方 向。 随着科学技术的发展，对航向系统的精度和可靠性的要求越来越高，许多单一的航向系统很难完全满 足要求，而且由于成本和研制条件的限制，进一步提高和改进单航向系统性能的困雉也越来越人。因此， 随着新系统理论的发展和计算机技术的提高，借助组合手段对航向系统进行设计的技术和方法就显得至关 重婴【3 4 1 。 磁罗盘和角速率陀螺仪是为航向系统中提供高品质航向信息的基础部件，磁罗盘可以测量载体磁航 3 东南大学硕士论文 向，它具有长埘的稳定性成本低航向精度比较高，可以口动寻北是理想的航向涮鼍装置，但是，磁 罗盘也存在崩有缺陷如其航向输山极易受外界磁场的干扰而导致精窿降低惯性器件艚速率陀螺仪以模 拟电压宕号的形式输出载体的角述率f 自息，通过积分可得角度信息，间搠 到航向角，缺点是存在误差漂 移且误差随着时间而积累，必须每隔一段时间进行校正。但是它不受环境磁场的影响。针对上述情女坷 见t 硪罗盘和角速率嗍仪荆艮强的互补性，可将其纽台起来使片i ，而如何用适当盹磁将两者组台起来 提高系统抟h i 性能和自动校准能力已j 至成为近年来航向系统8 嘲研究课题之一。 磁航向系统广泛麻用于载体的航向测量，它成本低，性能稳定可以自动寻北航向秸应比较 高，能满足一般载体的要求，是理想的航向测量装譬。但是磁航向系统也存在同有缺陷，由于地 球表面磁场强度非常弱( o 3 08 ) 高斯，其航向输出极易受外界磁场的干扰而使精度降低。惯性嚣伺： 角速度陀螵以模拟电压信号的形式输出载体的角速度信息，通过积分可得角度信息问接得到航向 变化角，其缺点是存在误差漂移且随时间积累，优点是不受环境磁场的影响，有资料表明：当车 辆沿一座钢铁桥梁直行时，角速率陀螺指示的航向变化比磁罗盘小报多。针对上述情况，如何通过 适当的方法将两者组台起来，提高系统的整体性能和自动校准能力，已经成为近年米航向系统领域 的研究课题之一脚m l 。 在美国、日本和欧洲的一些发选国家，涮向系统在车辆定位导航系统、公路及车辆管理系统、 实时自动定位系统等方面都有重要的应用。 1 3 课题研究背景及意义 口主移动机器人在许多领域获得了广泛应用，除工厂以外还包括办公窒、超级市场、家庭居 室、医疗服务、军事方面以及太空领域等。 在家庭服务领域，自主吸尘机器人可以将房间打扫得干干净挣而且不会疲倦，幽li 为i r o b o t 研发出的系列智能型吸尘机器人r o o m b a ( 伦巴) 不但可有效清除灰尘，也使人们享受生活的便利：在 助残方面，导盲机器人可虬带领盲人安全到达目的地而不需要丰人曜养，如图12 所示。 ，嚣 暖翳l 网 。一一、_ ：9 一一您f 一 第一章绪论 然懈潍嚣裂絮缬黼s 赭w a t 酮m p 嚣燃船案畜1 要5 需躺2 0 0 8 肇置拆除、侦察、危险品操作、战斗工程支援和部队辅助等领域。如幽所示。 年， 美国发明军_ 【 j 运输“机器狗”，有很强的机动性和反应能力，其平街能力更是让人刮目相看，如图i6 所示。这种“人机合一”的作战模式是未来战争的一个技术热点。 图1 5 憧爪，军用机器人 图l 石执行任务的机器人p a c k p o t 太空领域是自主移动机器人又一重要应用场合。1 9 9 7 年美国国家宇航局研制的“旅居者”号火 甚午创f 单日在火星表面行走7 米的纪录。2 0 0 4 年，美国国家宇航局的新一代火星车“勇气号”又 刨下了2 1 2 米的单日行走记录，如图1 7 所示。它们可以完成在未知星球，未知气候下的独立行走、 环境债察、采集矿石菩任务。 琶粥 圈i j 执行任务的“勇气号”机器凡 由此可见，自主移动机器人将有着非常r 阀的应用前景。在不久的将来，将体现山更太的作用 与价值。如前所述，研究涉及计算机视觉、模式识别、传感器及多传感器信息融合、人工智能、自 动控制等诸多学科的理论和技术，集中体现了计算机技术和 。r 智能的最新成果，标志着一个国家 的科技发展水平。田此开展移动机器人荚键技术的研究势在必行。 而航向信息姓白主移动机器人作为移动机器人的关键技术，很大程度上执定了移动机器人的智 能化水平。我* 】研制的自主移动机器 采异j 的是轮式小午的结构，体积轻便，有较韭_ 的越野能力， 适台完成债察、监视、目标搜索、爆炸物处理、安全巡逻、导盲等多种任务。又因其传动控制方式 与真率相同，只要软硬什设计稍加改动，即可用于真车的控制，具有搬立j _ 的可移植性，这将有助于 柳能午辆的研究，应用前景非常j 阔。 1 4 论文主要内容 据融善；主，蓉萎i 娄嚣黧群学噪卢误差建模、电子罗盘和角速率陀螺仅簋传螬器的数 第一章绪论。简要舟纲了当夸移动机器人的发展史及现状和组合航向系统的发展情况，井 综台新技术的发展，提出了解狄单一航向系统存在的精度和可靠性的问题的方法，从而引山本课题 譬窿 疆舞两“o 零一 k嗡=_魄tp 东南大学硕1 ：论文 的研究对象和内容。 第二章电子罗盘误差分析和补偿。在了解电子罗盘h m r 3 0 0 0 特性的基础上，编写了电子 罗盘数据通讯与数据读取软件。对电子罗盘进行误差分析，详细介绍了电子罗盘误著的形成原冈， 研究_ = i f ：实现了两种实j j 的误著补偿方案即八方向最小二乘法以及椭圆假设法，在不同环境下采集电 子罗盘的数据，通过对采集的数据进行实验分析得出电子罗盘在不同环境下误差模裂不同，在此提 出了基于不同环境采用不同模型的区域八方向二乘法，并通过实验验证了区域八方向二乘法的有效 性。 第三章为了实现电子罗盘与角速率陀螺仪的数据融合，对h m r 3 0 0 0 采集的数据进行统计 分析，并将其与标准的高斯模型进行对比，实验表明h m r 3 0 0 0 噪卢误差符合高斯模型，为下一章 卡尔曼滤波奠定基础。 第四章本章在了解多传感器数据融合方法的基础上。综合实验环境，适应范围等冈素，考 虑采j j 离散卡尔曼滤波对电子罗箍、角速率陀螺仪等传感器数据进行融合，同时还采用无迹g - , q 曼 滤波对电子罗柱、角速率陀螺仪数据进行融合，通过实验对比知在此设计中卡尔曼滤波对数据的处 理效果比较明显。 第五章移动机器人组合测向系统设计。在对电子罗盘进行八方向二乘法进行误差补偿，电 子罗盘与角速率陀螺仪数据融合后，设计简单地算法实现了以角速率陀螺仪为主，电子罗盘为辅组 合测向系统，并通过实验验证了组合测向系统的有效性。 第人章总结和展望。对本文所作的j 作进行概括总结，并指出了需要进一步研究改进的问 题和未来的工作方向。 6 第二章电予罗盘的误差补偿 第二章电子罗盘的误差分析与补偿 由于制造、环境以及使用上的诸多因素，组合航向系统出现误差是不可避免的。总的来说，产 生误差的刚素主要有以下儿个方面。 ( 1 ) 传感器本身的误差。包括通道问的正交偏差，每个通道的零位和标度冈数误差。 ( 2 ) 使用环境引起的误差。包括安装误差和罗著。其中安装误差主要反映在传感器的零位偏差上， 一般通过精密工装、精心调1 j ，可将误差消除在较小的范嗣内。而罗差是由传感器周围铁磁物质的 影响引起的，是主要误差。 由于任何一种单一的航向传感器，都会由于自身结构上固有的缺陷，很难提供理想的航向信息， 电子罗衙也不例外。尽管它能够提供满足一般要求的定向精度，却易受外界干扰磁场的影响，这也 是制约其应 j 的主要障碍。所以，关丁电子罗盘航向系统的误差补偿研究备受关注。义由于“探索 者”移动机器人的陀螺仪的误著已经经过了很好的补偿，本章主要对数字电子罗盘h m r 3 0 0 0 存在 的误差进行分析，并且针对不同的电子罗盘输出方式采取相对应的补偿方法。 2 1 电子罗盘h m r 3 0 0 0 2 1 1 电子罗盘 “探索者”移动机器人所使用的电子罗盘选用的是霍尼韦尔公司生产的h m r 3 0 0 0 ，它是一款集 航向、俯仰和横滚角三个旋转量测鼍于一体的磁敏传感器。它可以为导航定位系统提供航向、俯仰、 横滚等数据。其中航向的精度为士1 o o ，分辨率可达0 1 0 。横滚和俯仰的精度为：t o 3 0 ，分辨率为士o 1 0 ， 输出端u 可采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 。它有着传统针式和平衡架结构罗盘所没有的许多方面的优点，即使 在倾斜达至, j 4 0 0 时，也能给出精确的航向p 驯。 h m r 3 0 0 0 支持n m e a 0 1 8 3 和专用信息。在测黄模式中由h m r 3 0 0 0 按照e e p r o m 中的设置的速率 主动发送n m e a 信息。h m r 3 0 0 0 还对从主机发送米的所有信息进行响应。h m r 3 0 0 0 对于输入命令的 响虑可能会闪其正在发送信息而延迟。主机在发送另一条命令前，要等待h m r 3 0 0 0 对上一条命令做 山响应。h m r 3 0 0 0 发送和接收到的每一条命令末尾包含一个两字符的检校和的部分，检校和的作用 是保证发送数抛的准确性，它足根据n m e a 0 1 8 3 标准计算出来的。 h m r 3 0 0 0 提供六种n m e a 标准数据输 j j 信息格式( h o g 、h d t 、x d r 幂 i h p r 、r c d 、c c d ) 及四 种操作模式( 连续模式、选通模式、休眠模式和标定模式) 。 h m r 3 0 0 0 的输入的电平是r s 2 3 2 ( r s 2 3 2 采朋负逻辑1 为5 一15 v ) 。 由于r s 2 3 2 逻辑电平与t t l 电平不兼容，所以我们需要通过一个芯片进行电平转化。我们采用了 m a x i m 公司的m a x 2 3 2 。此器件与m c l 4 8 8 驱动器( 将r s 2 3 2 的逻辑电平转化为t t l 电平) 承i m c l 4 8 9 接收器( 将t t l 电平转化为r s 2 3 2 的逻辑电平) 相比较克服了对+ 1 2 v 及+ 1 5 v 电源的要求，且可靠性更 高。 芎 图2 1 电子罗盘h m r 3 0 0 0 与c p u 的连接图 7 p 2 “a 8 碍 i ，2 p 2 i a 9 孽 嚣粼霪 。p 2 f d a l 3 霉 i r 7 a i $ 鼎 东南大学碗士论文 2 1 2 电子罗盘数据通讯及数据读取 ( 1 ) 串口通讯 h m r 3 0 0 0 与p c 机的c o m 口的连接有两种方式，分别是经过稳压的输入和未经稳压的输 ， 其中经过稳压的输入咀源输入接电子罗盘管脚8 ，电压需要稳定在5 v ，虽多不能超过55 v 否则会 造成元件损坏。未经稳压的输入电压可以在6 v 到i s v 之问，为了安全性考虑采取未经稳压的输 。 数字电子罗盘与p c 机的通信方式为串行通信。串行通信是指将数据一位接一位的发送，与并 行通信相比较串行通信使h 的传输线少，传送距离琏，但是传送速率比较低。 f i m r 3 0 0 0 的串行通信是根据n m e a 0 1 8 3 标准制定的简单的、异步a s c l l 协议。a s c i i 码的传输和 接收使用l b i t 开始位、8b i t 数据位和i 城停止位，低位在先，无奇偶枝验位。每一字符有i o b i t ，波特 率i 选择1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 d 、1 9 2 0 0 、3 8 4 0 0 。在本设计中将会设置电子罗盘波特率为4 8 0 0 。 采j l j l a b w i n d o w s c v l 编写了串口通信界面，其主要步骤是； l 、打开并设置串口。 o p e n c o m c o n f i g ( c o m s e l e c t ，”d e v i c e 二b t l s e l e c t , j h s e l e 吐l o n g s e l e c l , s t o p s e l e c t , 5 1 2 , 5 1 2 ) ； 2 消空接收发送队列。 f f l i u “s h h o i “u o t 佃q ( c ”o m ”s l e 刚l e c ；t ) ； 获得数据并在面板上显示于魁”中。 竺兰! 巳镕宇符 乖r 二二二一 * # a r $l 尊r 群幽型璺g r d = 一 攀贼 乖一竺兰兰三一 ! ；j # 月t 扩一 皂9 型型9 遵! 型刿 蚓22 串ij 通信界面 目为$ 。通信界面左边t “五2 个3 2 2 盔髫鬟等：盏! ；i ：霉鼍兽、被特率、奇偶校验模式( 对于凹为串口通信界面左边五个复选框可以用来选择串口、被特率、奇偶校验模式( 对于 第二章电子罗盘的误差补偿 h m r 3 0 0 0 选择无奇偶校验位) 、数据何、停j ：位。右侧两个对话框分别用来从h m r 3 0 0 0 接收字符 串和从p c 机上发送字符串给电子罗柱，注意电子罗柱对于输入命令的响应可能会因为止在发送的 信息而延迟，主机在发送另一条命令前，要等待h m r 3 0 0 0 对上一条命令作出响应。h m r 3 0 0 0 发送 和接收到的每一条命令末尾包含一个两字符的检校和的部分，以”h h ”表示，检校和的作用是保证发 送数据的准确性，它是根据n m e a 0 1 8 3 标准计算出来的。当按f 命令按钮“角度显示”后，会弹 出界面如图2 3 。 点击“接收数据”可以实时接收电子罗盘数据并且在左边的三个图表中实时绘制曲线，当采集 数据结束后点击保存航向、俯仰及横滚角度可以将数据保存在t ) ( t 文件中。点击“清函数曲线”可以 擦除图表中的角度曲线。点击“返叫通信界面”可以退出此界面转剑图2 2 所示界面。 ( 2 ) h m r 3 0 0 0 数据读取 h m r 3 0 0 0 有6 种输出格式，三条标准的n m e a 语句( h d g 、h d t 和h d r ) 和三条专用的信息 ( h p r 、r c d 、c c d ) 其测量的内容如下所示。 h d g h e a d i n g ，d e v i a t i o n ，v a r i a t i o n 可以测量航向，偏向角及磁偏角。 h d t h e a d i n g t