本文關鍵詞：全向移動機器人慣性導航系統設計

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【摘要】：慣性導航技術具有不受地域限制,不依賴于外部信號,可實時、高精度地輸出姿態(tài)和位置信息等特點,已成為移動機器人自主定位與導航技術的研究熱點。將慣性元器件固聯在全向移動機器人或者自動引導車(AGV)上,可搭建捷聯式慣性導航系統,該系統結構簡單、體積小、維護方便、精度較高,便于與其他導航方式組合,有著良好的應用前景。本文以微慣性測量單元(MIMU)為基礎,基于全向移動機器人平臺設計了慣性導航系統,包括對MIMU進行誤差建模研究及驗證,設計擴展卡爾曼濾波器(EKF)融合加速度計、陀螺儀和磁力計的輸出,實現四元數狀態(tài)更新,從而解算全向移動機器人姿態(tài)信息并實驗驗證精度。首先,結合全向移動機器人的應用環(huán)境及其自身特點,完成了慣性導航系統的總體方案設計。以MIMU為核心,設計慣性導航硬件系統,并完成MPU9250 I2C通信方案配置、GPS模塊配置、藍牙模塊配置等控制系統的軟件代碼實現。然后,分析MIMU的主要誤差來源,完成系統誤差建模；利用分立標定法(靜態(tài)多位置標定和角速率標定)對加速度計進行標定：接著利用標定后的加速度計信息完成陀螺儀的誤差標定；綜合利用橢圓擬合法和分立標定法完成對磁力計的標定；并分別實驗驗證,實驗結果表明標定效果理想；針對地磁場不斷變化的情況,提出一種磁力計的快速標定方法。最后,設計擴展卡爾曼濾波器,實現四元數狀態(tài)更新后解算載體姿態(tài)信息并實驗驗證精度；對加速度計輸出進行平滑處理,降低全向移動機器人運動時的振動噪聲干擾；針對地磁場不斷變化的特點,設計自校正程序,減小漂移誤差；進行機器人靜態(tài)及動態(tài)實驗驗證本慣性導航系統的精度。
【關鍵詞】：全向移動機器人 慣性導航 誤差標定 姿態(tài)解算 擴展卡爾曼濾波
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 國內外研究現狀10-12
• 1.2.1 捷聯式慣性導航系統的發(fā)展10-11
• 1.2.2 慣性儀表的發(fā)展現狀11-12
• 1.2.3 捷聯式慣性導航算法研究概況12
• 1.3 課題來源12-13
• 1.4 論文組織結構13-15
• 第二章 捷聯式慣性導航系統基本原理15-21
• 2.1 慣性導航中常用坐標系15-16
• 2.2 姿態(tài)角的定義16
• 2.3 捷聯式慣性導航系統的工作原理16-19
• 2.3.1 歐拉角法17
• 2.3.2 方向余弦法17-18
• 2.3.3 四元數法18-19
• 2.3.4 歐拉角法、方向余弦法和四元數法的關系19
• 2.4 本章小結19-21
• 第三章 微型慣性導航系統方案設計21-33
• 3.1 需求分析及方案設計21
• 3.2 關鍵元器件選型分析21-25
• 3.2.1 慣性元器件選型21-22
• 3.2.2 GPS模塊選型22-23
• 3.2.3 藍牙模塊選型23-24
• 3.2.4 MCU選型24-25
• 3.3 硬件電路設計25-27
• 3.3.1 微處理器外部電路設計25
• 3.3.2 MPU9250外部電路設計25-27
• 3.4 MPU9250軟件配置27-30
• 3.4.1 I2C通信方案27
• 3.4.2 I2C通信協議27-28
• 3.4.3 I2C通信過程28-29
• 3.4.4 寄存器配置及參數初始化29-30
• 3.5 GPS模塊配置30-32
• 3.5.1 NMEA-0183協議簡介30-31
• 3.5.2 SGPRMC協議解析31
• 3.5.3 u-center軟件配置GPS參數31-32
• 3.6 本章小結32-33
• 第四章 MIMU誤差建模研究33-47
• 4.1 誤差源分析33
• 4.2 誤差建模分析33-36
• 4.2.1 系統誤差建模33-35
• 4.2.2 陀螺儀誤差建模35-36
• 4.3 MPU9250標定方法研究36-40
• 4.3.1 加速度計和磁力計標量場校準36-37
• 4.3.2 加速度計和磁力計轉臺旋轉校準37-38
• 4.3.3 陀螺儀重力場校準38
• 4.3.4 陀螺儀轉臺旋轉校準38-39
• 4.3.5 磁力計橢圓擬合修正39-40
• 4.4 慣性器件誤差標定40-45
• 4.4.1 磁力計橢球擬合標定40-41
• 4.4.2 加速度計和磁力計標量場校準41-42
• 4.4.3 加速度計和磁力計轉臺旋轉校準42-43
• 4.4.4 陀螺儀重力場校準校準43-44
• 4.4.5 陀螺儀轉臺旋轉旋轉校準44-45
• 4.5 MPU9250標定效果驗證45-46
• 4.6 磁力計的快速標定46
• 4.7 本章小結46-47
• 第五章 姿態(tài)解算算法研究47-56
• 5.1 卡爾曼濾波器47-48
• 5.2 擴展卡爾曼濾波算法48-50
• 5.2.1 離散時間非線性動態(tài)系統描述48
• 5.2.2 擴展Kalman濾波算法48-50
• 5.2.3 Q、R及P0對濾波器性能的影響50
• 5.3 姿態(tài)解算算法50-51
• 5.3.1 擴展卡爾曼濾波器50-51
• 5.3.2 運動噪聲抑制51
• 5.4 全向移動機器人平臺的靜態(tài)及動態(tài)實驗51-55
• 5.4.1 實驗對象51-52
• 5.4.2 軟件平臺52-53
• 5.4.3 磁力計上電自校正53
• 5.4.4 姿態(tài)角靜態(tài)漂移實驗53-54
• 5.4.5 姿態(tài)角動態(tài)跟隨實驗54-55
• 5.5 本章小結55-56
• 第六章 總結與展望56-57
• 6.1 總結56
• 6.2 展望56-57
• 致謝57-58
• 參考文獻58-61
• 作者簡介61

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

1 趙晗;汪立新;趙曦晶;沈強;;基于間隔子樣旋轉矢量的SINS圓錐誤差補償[J];壓電與聲光;2015年01期

2 王興松;;Mecanum輪全方位移動機器人技術及其應用[J];機械制造與自動化;2014年03期

3 龍禮;張合;;三軸地磁傳感器誤差的自適應校正方法[J];儀器儀表學報;2013年01期

4 謝啟源;陸宇平;喬兵;李淵;;一種基于橢球約束和Procrustes分析的磁矢量傳感器校正算法[J];傳感技術學報;2012年12期

5 李勇;劉文怡;李杰;張曉明;蔣竅;;基于橢球擬合的三軸磁傳感器誤差補償方法[J];傳感技術學報;2012年07期

6 賴際舟;呂品;張玲;劉建業(yè);;旋轉慣導系統中的圓錐誤差分析及其補償[J];南京航空航天大學學報;2012年02期

7 陸辰;李榮冰;劉建業(yè);杭義軍;;微型航姿系統中三軸MEMS加速度計組合誤差建模方法[J];測試技術學報;2011年01期

8 胡士峰;馬建倉;孟凡路;;基于MEMS傳感器的微慣性導航系統研究[J];計算機測量與控制;2009年05期

9 鮑其蓮;吳周潔;;低成本捷聯慣導系統初始對準方法[J];中國慣性技術學報;2008年05期

10 祝燕華;劉建業(yè);錢偉行;賴際舟;;低成本捷聯慣導系統的靜基座快速精對準方法[J];上海交通大學學報;2008年05期

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1 張強;船載衛(wèi)星天線測姿系統初始對準技術研究[D];哈爾濱工程大學;2008年

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