導(dǎo)航是機(jī)器人技術(shù)中的核心問(wèn)題。針對(duì)單一導(dǎo)航系統(tǒng)的不足,設(shè)計(jì)了一種基于里程計(jì)/地磁/GPS的移動(dòng)機(jī)器人的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)建立各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差模型,并對(duì)誤差進(jìn)行分析,利用卡爾曼濾波器對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差進(jìn)行估計(jì),得到系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計(jì)。最后利用間接法濾波輸出對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校正。通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),證明該導(dǎo)航系統(tǒng)能夠有效地降低導(dǎo)航誤差,提高了移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位精度,而且當(dāng)某一導(dǎo)航系統(tǒng)接收不到信號(hào)或者壞掉時(shí),系統(tǒng)仍然可以保持高精度的導(dǎo)航。 

【文章來(lái)源】：微型機(jī)與應(yīng)用. 2016,35(01)

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圖１光電編碼器測(cè)量位置及航向角原理圖１．２三軸地磁傳感器測(cè)量機(jī)器人航向角

烆ｔ（３）圖１光電編碼器測(cè)量位置及航向角原理圖１．２三軸地磁傳感器測(cè)量機(jī)器人航向角地磁傳感器用來(lái)測(cè)量地球周圍磁場(chǎng)，通過(guò)各個(gè)坐標(biāo)系上磁敏感軸測(cè)出的地磁分量值，再經(jīng)過(guò)計(jì)算和誤差校正，可以得到載體與地磁北的夾角，再加上磁偏角即可得到載體準(zhǔn)確的航向角［２］。假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在水平的路面上，這時(shí)就不用考慮Ｚ軸上的地磁分量。三軸傳感器的Ｘ敏感軸和Ｙ敏感軸分別沿機(jī)器人的橫軸和縱軸方向。假設(shè)此時(shí)磁敏感軸的Ｘ軸和Ｙ軸測(cè)得的地磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為α和β。由圖２三軸地磁傳感器測(cè)量航向角原理圖，根據(jù)三角關(guān)系可求出此時(shí)的磁航角θ，由ｔａｎθ＝α／β可求出θ＝ａｒｃｔａｎ（α／β）。圖２三軸地磁傳感器測(cè)量航向角原理圖１．３ＧＰＳ導(dǎo)航ＧＰＳ主要由ＧＰＳ衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控和用戶接受設(shè)備三部分組成。ＧＰＳ通過(guò)觀測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算出衛(wèi)星與用戶之間的距離，再通過(guò)導(dǎo)航電文里衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正等信息可以反推出目標(biāo)位置在ＷＧＳ－８４坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。設(shè)用戶坐標(biāo)為（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ），第ｉ顆衛(wèi)星的坐標(biāo)為（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ），可以求出用戶到第ｉ顆衛(wèi)星的真實(shí)距離Ｒｉ為［３］：Ｒｉ＝（Ｘｓｉ－Ｘｕ）２＋（Ｙｓｉ－Ｙｕ）２＋（Ｚｓｉ－Ｚｕ）槡２（４）在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種誤差的存在，接收機(jī)無(wú)法測(cè)出用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，只能測(cè)出包含各種誤差在內(nèi)的“偽距”。用戶與第ｉ顆衛(wèi)星之間的偽距Ｄｉ可以表示為：Ｄｉ＝Ｒｉ＋δＩ（ｔ）＋δＴ（ｔ

是地磁傳感器經(jīng)過(guò)處理后最終輸出的航向角信息；δθＥＣ為地磁北與地理北之間磁偏角的誤差；εＥＣ是受到周圍環(huán)境中隨機(jī)干擾磁場(chǎng)影響產(chǎn)生的誤差，可以看作系統(tǒng)白噪聲來(lái)處理。３．３里程計(jì)／ＧＰＳ／地磁傳感器的卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器實(shí)際上是一種線性最小方差估計(jì)意義上的最優(yōu)估計(jì)算法，本文將對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的位置誤差δＸ（ｋ）、δＹ（ｋ）和航向角誤差δθ（ｋ）進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)位置誤差δＸ＾、δＹ＾以及方位角誤差δθ＾的最優(yōu)估計(jì)。本設(shè)計(jì)采用如圖４所示的方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行濾波。圖４移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)濾波方案其中，對(duì)里程計(jì)和ＧＰＳ輸出的位置誤差信息進(jìn)行濾波輸出，作為導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差估計(jì)；對(duì)里程計(jì)和地磁傳感器輸出的航向角誤差進(jìn)行濾波輸出，作為導(dǎo)航系統(tǒng)的航向角誤差估計(jì)。系統(tǒng)的狀態(tài)變量包括：里程計(jì)的位置誤差和航向角誤差δＸ（ｋ）、δＹ（ｋ）、δθ（ｋ），ＧＰＳ信號(hào)的位置誤差δφｇ、δλｇ，地磁傳感器輸出的航向角誤差δθＥＣ以及移動(dòng)機(jī)器人測(cè)量時(shí)的結(jié)構(gòu)誤差δＳＬ（ｋ）、δＳＲ（ｋ）、δＷ（ｋ）。系統(tǒng)的狀態(tài)變量、狀態(tài)方程以及狀態(tài)矩陣分別為：８３

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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