基于多傳感器融合的機(jī)器人導(dǎo)航級(jí)大范圍室內(nèi)定位研究.pdf

1、移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)技術(shù)綜合體，其中最基本的是機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)。而在導(dǎo)航問題中，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高精度定位具有重大意義。對(duì)于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位方案，如何兼顧大范圍、厘米級(jí)、可拓展、低成本等特點(diǎn)是一大難題。
　　本文面向室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人定位這一問題，以基于融合紅外與超聲波信息為基礎(chǔ)的標(biāo)定/定位框架作為主要研究目標(biāo)，開展ZigBee通信技術(shù)，超聲波測(cè)距原理，紅外時(shí)鐘同步技術(shù)，多線激光雷達(dá)SLAM，后端非線性優(yōu)化等方法的研究，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)并

2、實(shí)現(xiàn)了一套主要基于紅外與超聲波融合的軟硬件定位方案，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布置了本定位系統(tǒng)，對(duì)本定位系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的技術(shù)驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容與成果包括:
　　1.設(shè)計(jì)了多傳感器融合的室內(nèi)定位框架，設(shè)計(jì)并制作了相關(guān)硬件單元，解決了實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位所需的高昂成本問題。在框架設(shè)計(jì)上，本文將分為標(biāo)定方案與定位方案。在標(biāo)定方案中通過不計(jì)成本的方式獲得標(biāo)定單元精確地位姿估計(jì)，用于來精確標(biāo)定環(huán)境中部署的廉價(jià)傳感器。在定位方案中，僅通過自主設(shè)計(jì)的廉價(jià)傳感

3、器來實(shí)現(xiàn)等效于激光SLAM的定位精度。在硬件設(shè)計(jì)方面，本文基于紅外信號(hào)模型、超聲波傳播模型、ZigBee組網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)制作了三種不同的硬件模塊，并基于STM32單片機(jī)，編寫相關(guān)代碼，高效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)定位數(shù)據(jù)的生成、采集、測(cè)算。同時(shí)對(duì)原創(chuàng)布局走線的超聲波硬件單元進(jìn)行了距離、頻率、角度等測(cè)試，以驗(yàn)證傳感器的穩(wěn)定性，為后續(xù)開展高精度標(biāo)定和定位奠定基礎(chǔ)。
　　2.提出了室內(nèi)定位基站單元的標(biāo)定方案，將高昂的成本集中在本標(biāo)定方案中，解決了對(duì)大范

4、圍環(huán)境中基站單元全局位姿標(biāo)定的問題。在環(huán)境中部署多個(gè)基站單元后，使用價(jià)格昂貴的激光雷達(dá)，基于激光SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)算法輸出標(biāo)定單元的全局位姿，同時(shí)記錄基站單元采集到標(biāo)定單元發(fā)送的超聲波距離數(shù)據(jù)。最后通過現(xiàn)有的非線性優(yōu)化的方法，求解出環(huán)境中部署的各個(gè)基站單元全局位置，并實(shí)際驗(yàn)證方案的可行性，為后續(xù)廉價(jià)且高精度地實(shí)現(xiàn)定位做準(zhǔn)備。
　　3.提出了基于多傳感融合的室內(nèi)機(jī)器

5、人級(jí)定位方案，以最小的成本實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)定位，解決了大范圍環(huán)境中對(duì)定位單元實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位的問題。定位單元在標(biāo)定單元所覆蓋的范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，標(biāo)定單元可融合紅外信息與超聲波信息測(cè)量計(jì)算距離定位單元的長(zhǎng)度信息，再基于基站單元的已知位置，通過非線性優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)定位單元的定位輸出。
　　上述方案旨在將定位所需的高昂成本轉(zhuǎn)移到標(biāo)定階段，在定位階段只需使用本文提出設(shè)計(jì)的廉價(jià)傳感器即可實(shí)現(xiàn)20Hz，10cm級(jí)別的定位信息輸出。對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用，在