[發明專利]一種基于多源信息融合的高精度運動軌跡檢測系統

有效

• 申請號: 201510595183.0
• 申請日: 2015-09-17
• 公開（公告）號: CN105222772B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 戴厚德;蘇詩薦;夏許可;林志榕;曾雅丹;吳周新
• 申請（專利權）人: 泉州裝備制造研究所
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00
• 代理公司: 泉州市文華專利代理有限公司35205
• 代理人: 陳雪瑩

技術領域

本發明涉及一種運動軌跡檢測系統，具體的涉及一種采用慣性傳感、機器視覺和電磁定位子系統組成的高精度運動軌跡檢測系統，應用領域包括機器人等運動部件的運動軌跡檢測。

背景技術

工業機器人和移動機器人等運動部件日益廣泛應用導致對其操作性能，尤其是對運動執行器的動態定位精度提出很高的要求。例如工業機器人作為由減速器、伺服電機、增量式編碼器和負載反饋單元實現半閉環的運動控制方式，其機械手臂結構高度非線性，高速末端動態變異(偏移、抖動)和高負載變異(末端工具置換)將影響路徑定位精度。所以一種高精度的運動軌跡檢測系統來實現機器人的實時運動反饋與控制在裝配定位、振動分析以及性能指標的測量與評價等應用顯得非常的必要。

目前國內外對運動跟蹤和定位技術的研究相對集中在射頻信號檢測定位、慣性傳感、磁場定位、視覺定位和聲源定位等。基于慣性傳感技術的Xsens動作捕捉系統，將加速度計、陀螺儀和磁力計進行信息融合，能獲得精度較高的三維姿態信息，因為加速度值二次積分后誤差較大，獲得的線性位移只能作為參考值。電磁定位系統通過磁傳感器陣列對永磁體或者電磁線圈在空間分布的三維磁場強度進行檢測，再進行迭代求解得到永磁體或電磁線圈的空間位置和姿態信息，NDI公司的電磁定位系統就采用兩個垂直放置的3軸電磁感應線圈實現完整6軸的運動檢測，但是電磁定位系統容易受到環境電磁波及鐵磁物質的干擾，在工業環境下這種干擾難以避免；基于光學定位技術的VICON動作捕捉系統由紅外高速攝像機、一個數據處理器和配套的應用軟件構成，紅外高速攝像機捕捉被動發光標記點，采用機器視覺原理和激光掃描技術，實現運動位置信息的測量，但光學定位系統只能測量標記點的空間位置信息，且容易受到遮擋以及環境光和背景的影響。

針對光學定位系統容易受遮擋的問題，專利申請號為201410661823.9的中國發明申請，該發明提出一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統，可實現斷光續接功能，便于對難測點或遮檔位置的測量，但主要不是提升目標定位跟蹤的精度和維度。

因此，在復雜多變的測試環境中，使用單個定位測量系統會存在以下不足：1、測量獲得的信息量單一，如光學定位系統只能測量到位置信息，慣性定位系統只能測量到姿態信息；2、受到環境因素的干擾而導致定位精度不高，如電磁定位系統容易受電磁波的干擾，光學定位系統容易受到遮擋以及環境光和背景的影響。

發明內容

為克服單個定位系統存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于多源信息融合的運動軌跡檢測系統，實現機器人等運動部件的六維位姿的高精度、高穩定和快速運動檢測系統。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種基于多源信息融合的高精度運動軌跡檢測系統，包括慣性傳感定位、電磁定位、機器視覺定位三個模塊化的子系統以及數據處理平臺，慣性傳感定位子系統、電磁定位子系統和機器視覺定位子系統采集的數據均傳輸到所述數據處理平臺，以實現信息融合定位和協作定位；其中：

所述慣性傳感定位子系統用于測量運動部件三維姿態角；

所述電磁定位子系統用于測量運動部件三維位置和三維姿態角；

所述機器視覺定位子系統用于測量運動部件三維位置信息；

所述數據處理平臺通過將慣性傳感定位子系統、電磁定位子系統、機器視覺定位子系統中獲取的多源信息進行綜合分析和協調處理，基于分布式狀態融合結構模型，對數據進行坐標轉換和數據校正、數據關聯和狀態估計融合，綜合考慮噪聲干擾和環境因素的影響，提升目標動態定位跟蹤的精度和維度，增強系統的可靠性和魯棒性。

優選地，所述的慣性傳感定位子系統包括MEMS傳感器和第一子處理器，MEMS傳感器(包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計)貼附于運動部件來實現實時三維姿態信息的獲取，第一子處理器采用卡爾曼濾波或正交余弦矩陣融合算法對MEMS傳感器采集的數據進行融合，從而獲得運動部件精確的三維姿態角信息。

更優選地，所述的MEMS傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計，所述三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計采集的數據均傳送到第一子處理器，第一子處理器對三者數據進行處理，得到MEMS傳感器當前的姿態角，即運動部件的姿態角；其中：

三軸陀螺儀測得角速度、一次積分后得到運動部件偏轉的姿態角，但誤差會隨著時間而累積；

三軸磁力計用于測量地磁強度，進而得到運動部件的航向角；

三軸加速度計測量得到的信號中的三軸重力分量，用于測量運動部件的絕對俯仰角和翻滾角(相對于地球坐標)；