智能巡视机器人组合导航系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种智能巡视机器人组合导航系统，包括PC机、航迹推算导航单元、GPS导航模块、联邦卡尔曼滤波器Ⅰ、避障传感单元、无线通讯单元和上位机，航迹推算导航单元和避障传感单元分别与PC机连接；GPS导航模块通过联邦卡尔曼滤波器Ⅰ与PC机连接；PC机通过无线通讯单元与上位机连接；所述航迹推算导航单元包括电子罗盘、里程计、速率陀螺和联邦卡尔曼滤波器Ⅱ，电子罗盘、里程计和速率陀螺安装在巡视机器人内，且电子罗盘、里程计和速率陀螺分别通过联邦卡尔曼滤波器Ⅱ与PC机连接。本实用新型专利技术用联邦卡尔曼滤波器实时地估计系统的误差状态，然后依据最小均方误差估计的控制规律，对惯性导航系统进行反馈修正，从而提高整个导航系统的导航精度。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于机器人自主导航
，具体涉及智能机器人的一种自主组合导航系统。
技术介绍
自动化技术的快速发展，特别是高性能的微处理器及传感器的出现，大大促进了现代机器人学的发展。同时，社会进步的需要也为机器人的发展提供了广阔的空间。特别是如军事、海底空间探测以及消防搜救等人类所不易或不能从事的领域的作业需求，促使对此领域机器人的广泛研究和应用。履带式智能移动机器人是一个组成结构非常复杂的系统，它不仅具有加速、减速、前进、后退以及转弯等常规的车辆功能，而且还具有任务分析、路径规划、自主导航、信息感知融合、自主决策等类似人类智能行为的人工智能。自主导航是巡视移动机器人的核心技术之一，也是其智能性的体现。智能机器人导航技术的关键是自主导航与避障，安全导航与避障是保证其顺利到达目标点的关键。车体控制是野履带式巡视机器人的根本目的，其行为控制系统必须根据给定的任务和变化的环境实施对车体的控制。移动机器人导航方式有很多，例如:卫星导航、惯性导航、视觉导航、基于传感器数据信息导航等等。发展趋势如下：1.先进的传感技术传感器相当于移动机器人的感觉器官，采用先进的传感器技术能够准确的采集环境信息，从而提高移动机器人定位和导航的实时性和准确性，但是由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的不稳定从而给其实际应用造成较大的影响。2.高效的信息处理技术信息处理技术主要是对采集到的传感器数据信息进行处理，包括语音识别与理解技术，图像处理与模式识别技术等。信息处理技术水平对移动机器人定位导航技术的发展起到至关重要的作用，但是智能信息处理系统不能充分利用各种信息源的互补来提高信息处理的准确性和抗干扰性，存在着对信息获取的瓶颈。3.多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术己经表现出了单一传感器所无法比拟的优越性，因此对于多传感器信息融合技术的研究具有广大的前景。目前在移动机器人研究方面和多传感器信息融合技术的研究主要是集中在系统环境建模、传感器建模和信息融合算法。未来的多传感器信息融合技术主要集中在算法的改进和新算法的出现、微型传感器的研制和多层次的信息融合方面。但是多传感器数据融合系统的设计带有一定的盲目性，未形成基本的理论框架和广义融合算法，融合系统的容错性或稳健性没有得到很好的解决，数据融合系统的设计还存在许多实际问题，如传感器测量误差模式的建立、复杂动态环境下的系统实时响应等。
技术实现思路
本技术要解决的是现有导航方式不能同时满足精度与可靠性要求的技术问题，从而提供一种能有效自主导航完成目标巡视任务，可远程操作，使用方便的智能巡视机器人组合导航系统。为解决上述技术问题，本技术所采用的技术方案如下：一种智能巡视机器人组合导航系统，包括PC机、航迹推算导航单元、GPS导航模块、联邦卡尔曼滤波器Ⅰ、避障传感单元、无线通讯单元和上位机，航迹推算导航单元和避障传感单元分别与PC机连接；GPS导航模块通过联邦卡尔曼滤波器Ⅰ与PC机连接；PC机通过无线通讯单元与上位机连接；所述航迹推算导航单元包括电子罗盘、里程计、速率陀螺和联邦卡尔曼滤波器Ⅱ，电子罗盘、里程计和速率陀螺安装在巡视机器人内，且电子罗盘、里程计和速率陀螺分别通过联邦卡尔曼滤波器Ⅱ与PC机连接。所述避障传感单元包括超声波传感器和红外传感器，超声波传感器和红外传感器分别经多串口卡通过PCI总线与PC机连接。所述超声波传感器型号为Polaroid6500，红外传感器型号为SharpGP2D12。所述无线通讯单元包括无线路由器和无线网卡，无线网卡分别安装在上位机和PC机上，并通过无线路由器通讯。所述无线路由器的型号为TP-LINKTL-WR340G+；无线网卡的型号为TP-LINKTL-WN322G+。所述电子罗盘的型号为HMR3300，里程计的型号是WZL-1型里程仪，速率陀螺的型号是NEJ-3000型压电陀螺。本技术基于信息融合的本质，是将航迹推算导航、GPS导航和避障单元3个导航子系统所测量的信息进行互联与状态矢量估计。即利用里程计、光电码盘、GPS导航模块和电子罗盘等得量测作为多源信息，PC机根据这些信息给出关于导航参数误差的最优估计量，从而提高系统精度及可靠性。本技术用联邦卡尔曼滤波器实时地估计系统的误差状态，然后依据最小均方误差估计的控制规律，对惯性导航系统进行反馈修正，从而提高整个导航系统的导航精度。本技术还可通过上位机远程操作。附图说明图1本技术的控制原理框图。具体实施方式如图1所示，一种智能巡视机器人组合导航系统，包括PC机、航迹推算导航单元、GPS导航模块、联邦卡尔曼滤波器Ⅰ、避障传感单元、无线通讯单元和上位机，航迹推算导航单元和避障传感单元分别与PC机连接。GPS导航模块通过联邦卡尔曼滤波器Ⅰ与PC机连接。所述GPS导航模块的定位是利用环绕地球的２４颗地球卫星准确计算接收器位置，当GPS定位信号质量较好时，利用GPS高精度的定位信息对航迹推算系统进行校正，控制误差随时间积累。PC机通过无线通讯单元与上位机连接。所述航迹推算导航单元包括电子罗盘、里程计、速率陀螺和联邦卡尔曼滤波器Ⅱ，电子罗盘、里程计和速率陀螺安装在巡视机器人内，且电子罗盘、里程计和速率陀螺分别通过联邦卡尔曼滤波器Ⅱ与PC机连接。所述电子罗盘的型号为HMR3300，里程计的型号是北京林阳智能技术研究中心提供的WZL-1型里程仪，速率陀螺的型号是日本生产的NEJ-3000型压电陀螺。所述避障传感单元包括超声波传感器和红外传感器，超声波传感器和红外传感器分别经多串口卡通过PCI总线与PC机连接。所述超声波传感器型号为Polaroid6500，红外传感器型号为SharpGP2D12。使用超声波可利用渡越时间法计算出障碍物距离，将红外传感器用作近距离传感器，探测临近或突发运动障碍，便于机器人躲避避障。所述无线通讯单元包括无线路由器和无线网卡，无线网卡分别安装在上位机和PC机上，并通过无线路由器通讯。所述无线路由器的型号为TP-LINKTL-WR340G+；无线网卡的型号为TP-LINKTL-WN322G+。在本实施例中，PC机采用低功耗移动处理器，无风扇设计保证了系统的长时间可靠运行，PC机采用电子硬盘取代了传统的机械式硬盘，更适合于机器人运动应用场合。工作原理：履带式智能巡视机器人在行进过程中速率陀螺、电子罗盘和里程计先进行四周信息的收集，获得初始位置和所有时刻的位移，并将获得的信息经过联邦卡尔曼滤波器Ⅱ的过滤后传输至PC机内，PC机将信息进行处理获得机器人当前的位置，达到路径规划、自身定位的目的。其次，高精度GPS信息作为外部量测输入，在运动中实时修正航迹推算数据，以控制其误差随时间而积累，超声传感器和红外传感器用于修正航向，提高了系统可靠性，而短时间内高精度的航迹推算定位结果，可解决GPS动态环境中的信号失锁和周期问题，加强了系统的抗干扰能力。卡尔曼滤波器，是整个组合系统的核心部分，用于实时地估计系统的误差状态，然后依据最小均方误差估计的控制规律，对惯性导航系统进行反馈修正，组合导航系统间的信息互相渗透，有机结合，起到性能互补的效果，提升了导航本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能巡视机器人组合导航系统，其特征在于：包括PC机、航迹推算导航单元、GPS导航模块、联邦卡尔曼滤波器Ⅰ、避障传感单元、无线通讯单元和上位机，航迹推算导航单元和避障传感单元分别与PC机连接；GPS导航模块通过联邦卡尔曼滤波器Ⅰ与PC机连接；PC机通过无线通讯单元与上位机连接；所述航迹推算导航单元包括电子罗盘、里程计、速率陀螺和联邦卡尔曼滤波器Ⅱ，电子罗盘、里程计和速率陀螺安装在巡视机器人内，且电子罗盘、里程计和速率陀螺分别通过联邦卡尔曼滤波器Ⅱ与PC机连接。

【技术特征摘要】
1.一种智能巡视机器人组合导航系统，其特征在于：包括PC机、航迹推算导航单元、GPS导航模块、联邦卡尔曼滤波器Ⅰ、避障传感单元、无线通讯单元和上位机，航迹推算导航单元和避障传感单元分别与PC机连接；GPS导航模块通过联邦卡尔曼滤波器Ⅰ与PC机连接；PC机通过无线通讯单元与上位机连接；所述航迹推算导航单元包括电子罗盘、里程计、速率陀螺和联邦卡尔曼滤波器Ⅱ，电子罗盘、里程计和速率陀螺安装在巡视机器人内，且电子罗盘、里程计和速率陀螺分别通过联邦卡尔曼滤波器Ⅱ与PC机连接。2.根据权利要求1所述的智能巡视机器人组合导航系统，其特征在于：所述避障传感单元包括超声波传感器和红外传感器，超声波传感器和红外传感器分别经多串口卡通过PCI总线与PC机连接。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡磊，马鹏博，焦红伟，陈永刚，赵立，吴兰，
申请(专利权)人：河南科技学院，
类型：新型
国别省市：河南;41