[發明專利]考慮采樣周期隨機變化的機器人緊組合導航方法及系統

有效

• 申請號: 202010206200.8
• 申請日: 2020-03-23
• 公開（公告）號: CN111578939B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 徐元;申濤;孫明旭;畢淑慧;王自鵬
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S17/86;G01C21/00;G01C21/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

本發明公開了一種考慮采樣周期隨機變化的機器人緊組合導航方法及系統，包括：獲取機器人x方向和y方向的位置誤差、速度誤差、航向角以及當前時刻的采樣周期數據；將上述采集到的數據作為擴展卡爾曼濾波器的狀態向量；將激光雷達和航跡推算分別測量的機器人與特征點之間距離的平方差以及當前時刻的采樣周期作為擴展卡爾曼濾波器的觀測向量進行數據融合，最終得到機器人的最優的狀態預估，實現對于機器人的路徑導航。

技術領域

本發明涉及復雜環境下組合定位技術領域，尤其涉及一種考慮采樣周期隨機變化的機器人緊組合導航方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

近年來，隨著科學技術的發展，對移動機器人技術的研究與應用取得了長足的進步，使其在許多場合被寄予了替代人類執行某些日常性與危險性任務的厚望。移動機器人導航與定位作為移動機器人為人類提供高質量服務的基礎，正越來越受到各國學者的重視，并逐漸成為該領域的研究熱點。然而，隨著移動機器人應用范圍的擴大，其所面臨的導航環境也越發復雜。特別是在室內環境下，建筑物室內布局、建筑材料、甚至空間尺寸都會對導航信號產生影響，進而影響定位精度。與此同時，面向室內環境的移動機器人相對較小的平臺使其無法安裝部分高精度導航設備。雖然近年來小型導航設備的精度隨著導航器件小型化的進步有了一定的提高，但是其性能與傳統的大型高精度導航器件相比仍存在差距。在室內環境下，如何利用所獲取的有限信息以消除室內復雜導航環境對移動機器人導航信息獲取的準確性和實時性的影響，保證移動機器人在室內環境下導航精度的持續穩定，具有重要的科學理論意義和實際應用價值。

在現有的定位方式中，全球衛星導航系統(Global Navigation SatelliteSystem,GNSS)是最為常用的一種方式。雖然GNSS能夠通過精度持續穩定的位置信息，但是其易受電磁干擾、遮擋等外界環境影響的缺點限制了其應用范圍，特別是在室內、地下巷道等一些密閉的、環境復雜的場景，GNSS信號被嚴重遮擋，無法進行有效的工作。近年來，UWB(Ultra Wideband)以其在復雜環境下定位精度高的特點在短距離局部定位領域表現出很大的潛力。

現有技術提出將基于UWB的目標跟蹤應用于GNSS失效環境下的行人導航。這種方式雖然能夠實現室內定位，但是由于室內環境復雜多變，UWB信號十分容易受到干擾而導致定位精度下降甚至失鎖；與此同時，由于UWB采用的通信技術通常為短距離無線通信技術，因此若想完成大范圍的室內目標跟蹤定位，需要大量的網絡節點共同完成，這必將引入網絡組織結構優化設計、多節點多簇網絡協同通信等一系列問題。因此現階段基于UWB的目標跟蹤在室內導航領域仍舊面臨很多挑戰。

在導航模型方面，目前在室內行人組合導航領域應用較多的為松組合導航模型。該模型具有容易實現的優點，但是需要指出的是，該模型的實現需要參與組合導航的多種技術能夠獨立的完成導航定位。例如，需要UWB設備能夠提供行人的導航信息，這就要求目標行人所處的環境必須能夠獲取至少3個參考節點信息，這大大的降低了組合導航模型的應用范圍，與此同時，參與導航的子技術獨立完成定位，也引入了新的誤差，不利于組合導航技術精度的提高。為了克服這一問題，現有技術提出將緊組合模型應用于室內行人導航領域，緊組合模型直接將參與組合導航的子技術的原始傳感器數據應用于最后的導航信息的解算，減少了子技術自行解算引入新誤差的風險，提高了組合導航的精度，但是需要指出的是，現有緊組合導航模型均使用集中式模式，這一方式系統容錯能力差，并不利于日益精確復雜的組合導航模型。

除此之外，組合導航系統中由于多傳感器之間的采樣周期必然不會是完全一致需要以某一種方式統一，在這個統一的過程中，某一個或幾個傳感器的采樣周期不在其特定的采樣頻率，采樣周期在設定值小幅上下波動，導致采樣周期的不確定，由于真實的采樣周期是在設定值上下波動，而仿真時使用的采樣周期是設定值，所以會引入采樣周期的測量誤差，從而影響定位精度。目前的研究也很少考慮到組合導航系統中采樣周期會出現的小幅不確定的情況。

發明內容