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文档简介
第六章
移动机器人的里程估计熊蓉、张宇浙江大学控制科学与工程学院6.1概述里程估计(Odometry)根据传感器感知信息推导机器人位姿（位置和角度）变化用途：航位推算(Dead-reckoning)：基于已知位置，利用里程估计，推算现在位置里程估计(Odometry)移动机器人里程计基本思想由于控制的滞后性和可能存在超调，机器人实际执行控制指令与发送控制指令存在偏差为什么不用发送给机器人的运动控制指令进行航位推算？最早的里程估计：根据码盘获得实际执行速度进行位姿变化估计里程估计方法基于机器人运动感知信息，结合运动学模型电机码盘（轮式里程计）IMU（惯性单元，加速度计+陀螺仪）（惯性里程计）基于环境感知传感器信息，通过最佳匹配估计激光里程计（LO）视觉里程计（VO）常用里程估计方法及其组合6.2运动里程估计6.2.1轮式编码器里程估计基于运动感知的里程估计基于传感器感知机器人自身运动状态的变化基于电机码盘的里程估计基于惯性单元的里程估计基于电机码盘的轮式移动机器人里程估计（1）根据电机码盘获得轮子转速光电式增量编码器工作原理光电式增量编码器基于电机码盘的轮式移动机器人里程估计（1）根据电机码盘获得轮子转速电机减速器码盘光电编码器磁编码器
基于电机码盘的轮式移动机器人里程估计（2）结合运动学模型计算参考点速度（3）假设短时间片内为匀速运动，计算位姿变化
基于位姿变化的航位推算轮式里程估计误差系统误差轮半径误差轮子安装精度误差（不平行，两边距离不相等）编码器精度误差采样精度误差齿轮减速比精度偶然误差地面不平轮子打滑……
里程计估计误差导致问题在航位推算时，里程计误差被累加，推算随着时间而增长6.2运动里程估计6.2.2惯性测量单元里程估计坐标系定义与变换坐标系定义与转换
坐标系定义与转换
旋转矩阵与姿态变化关系
旋转矩阵与姿态变化关系原始坐标系第一次旋转第二次旋转第三次旋转
里程估计问题
根据感知信息求旋转矩阵和平移向量
根据旋转矩阵求姿态变化由旋转矩阵求欧拉角
求解方程可得
欧拉角表示存在奇异性原始坐标系第一次旋转第二次旋转第三次旋转
四元数表示法实际应用时通常采用四元数表示法爱尔兰数学家WilliamRowanHamilton于1843年提出出发点：三维空间的任意旋转，都可以用绕三维空间的某个轴旋转过某个角度来表示，即表示为旋转向量
为旋转轴单位向量
为旋转角度旋转向量下的旋转矩阵
向量旋转公式旋转向量下的旋转矩阵
四元数用复数集表示复平面上的向量，复数的乘法可表示复平面上的旋转四元数
实部为零时，称为虚四元数四元数下的旋转矩阵
四元数下的旋转矩阵
其中四元数表示的优点表达更紧凑求解无奇异计算更快速6.2运动里程估计6.2.2惯性测量单元里程估计原理基于惯性单元的里程估计惯性单元IMUInertialMeasurementUnit一般含有三轴的加速度计和三轴的陀螺仪通常集成一个三轴磁力计用于校正IMU的姿态估计通过积分运算可得载体在导航坐标系中的姿态、速度和位置等信息基于惯性单元的里程估计惯性测量单元里程估计基本原理基于惯性单元
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