CN107741596A - 一种磁钉定位辅助的gps/ins导航系统 - Google Patents

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邵京
贺磊盈
王冠华
徐飞鸿
李昂
武传宇
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
    • G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial

Abstract

本发明涉及移动机器人导航定位技术领域。目的是提出一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统，机器人在进行GPS导航时，使用磁钉定位技术对方向进行调整，使导航更精确。技术方案是：一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统，包括GPS数据接收与处理模块；其特征在于：该导航系统还包括惯性导航系统、惯性导航系统处理模块、铺设在地面上的若干个磁钉、磁传感器模块、伺服电机、编码器模块以及控制伺服电机的中央处理单元；所述中央处理单元包括卡尔曼滤波模块和伺服电机控制模块；所述惯性导航系统、惯性导航系统处理模块与中央处理单元的卡尔曼滤波模块依次电连接，GPS数据接收与处理模块与中央处理单元的卡尔曼滤波模块电连接。

Description

一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统
技术领域
本发明涉及移动机器人导航定位技术领域，具体是一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统。
背景技术
移动机器人的自动导航技术在很多方面都有应用，例如农用机械的机械化、精准化作业，极端环境下的探测与搜寻，还有各种交通工具的无人驾驶等方面。现今的GPS导航系统在民用中的定位精度已经可以达到10米内，但仍有一定误差，且易受环境影响，在恶劣天气环境下导航精度不足，实时性不高，难以达到有效的控制。因此，对移动机器人自动导航定位技术的研究具有重要的实际意义，有很强的实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述背景技术中的不足，提出一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统，机器人在进行GPS导航的同时，使用磁钉定位技术对方向进行调整，消除GPS导航的误差，从而使导航更精确。
本发明提供的技术方案如下：
一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统，包括GPS数据接收与处理模块；其特征在于：该导航系统还包括惯性导航系统、惯性导航系统处理模块、铺设在地面上的若干个磁钉、安装在机器人上用于检测磁钉磁场强度的磁传感器模块、驱动机器人的伺服电机、编码器模块以及控制伺服电机的中央处理单元；所述中央处理单元包括卡尔曼滤波模块和伺服电机控制模块；所述惯性导航系统、惯性导航系统处理模块与中央处理单元的卡尔曼滤波模块依次电连接，GPS数据接收与处理模块与中央处理单元的卡尔曼滤波模块电连接，伺服电机与中央处理单元的伺服电机控制模块电连接，磁传感器模块和中央处理单元电连接。
所述磁传感器模块为HMC5883L模块。
所述中央处理单元采用PID控制方式控制伺服电机。
本发明的工作原理是：
(1)使用GPS定位，通过GPS数据接收与处理模块接收处理GPS数据，计算移动机器人的GPS导航信息。
(2)通过INS处理模块接收INS单元数据，根据当前点的信息不断累积推算下一点的信息，从而获得载体位置、速度和姿态等导航信息。
(3)根据接收的GPS数据信息和惯性导航系统处理模块输出的数据利用中央处理单元中的卡尔曼滤波模块可以过滤一些错误的数据，并对GPS数据和惯性导航系统处理单元输出的数据合适的权重比进行最优化处理选择，从而得到精确的导航定位信息。所得信息通过所建立的运动模型的运动方程的分析(在这里是二轮差分驱动小车运动方程)，再由伺服电机控制模块控制伺服电机的转速，从而实现移动机器人的GPS/INS组合导航。
(4)在预设工位上铺设由若干个磁钉组成的磁钉阵，根据磁传感器模块接收的磁感强度，计算得知机器人的位置信息，中央处理单元通过对伺服电机的控制实现对移动机器人航向的调整。
本发明的有益效果是：
1、将GPS/INS导航与磁钉定位技术进行结合，有效地提高了组合导航定位精度。
2、由于磁钉定位不受环境、天气因素影响，正好弥补了GPS/INS导航在恶劣天气环境下导航精度不足的缺点；因此能够提供稳定、持续且精确的导航且适用于高速大范围导航及其定点工位作业。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明实施例中移动机器人在磁钉阵中的移动状况示意图之一。
图3为本发明实施例中移动机器人在磁钉阵中的移动状况示意图之二。
图4为本发明实施例中移动机器人在磁钉阵中的移动状况示意图之三。
图5为本发明实施例中移动机器人在磁钉阵中的移动状况示意图之四。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统，包括GPS数据接收与处理模块、惯性导航系统(INS)和惯性导航系统(INS)处理模块、预先铺设在工位上的组成磁钉阵的若干个磁钉、磁传感器模块、伺服电机、编码器模块和中央处理单元；中央处理单元包括卡尔曼滤波模块和伺服电机控制模块。
所述中央处理单元采用PID控制方式控制伺服电机。
除磁钉阵之外，其余元器件均安装在移动机器人上。
本发明的所有元器件均可外购获得。
工作开始，如图1所示，移动机器人首先进行GPS/INS导航模式。GPS数据接收处理模块采用了定时器的定时中断和串口中断，实时准确的接收GPS所测得的数据，INS用于输出惯性测量数据，INS处理模块接收INS输出的数字信号，通过导航积分计算获得载体位置、速度和姿态数据，再通过卡尔曼滤波计算，得到最终的组合导航信息。其中编码器模块检测编码器正转反转并且根据编码器读回来的脉冲数，在一定时间内计算轮子的速度。中央处理模块整合上述信息，运用机器人运动学方程得到导航信息，然后通过伺服电机控制模块使用PID(比例、积分、微分控制)控制伺服电机的转速，实现GPS/INS导航。
接着进入磁钉导航方式。如图2所示的移动机器人车体为圆柱体，磁传感器模块1-1和1-2分别位于车身两侧。预设工位前方的左右两侧分别铺设有磁钉2-1和2-2(磁钉2-1和2-2组成第一组磁钉)以及磁钉3-1和3-2(磁钉3-1和3-2组成第二组磁钉)，每组的两个磁钉之间互相有一定间隔，两组磁钉之间也有一定间隔，防止互相干扰。
当移动机器人运行到图3状态时，车体两侧的磁传感器模块接收到一定数值后，移动机器人模式由GPS导航模式转变为磁钉定位模式，并从高速行驶状态转化为低速调整状态。
当移动机器人运行到图4状态时(经过第一组磁钉)；假设移动机器人在运行航向上出现偏移，根据磁传感器模块接收的数值，经过计算可以得到偏移量，再控制车轮调整移动机器人航向。
当移动机器人运行到图5状态时(接近第二组磁钉)；根据磁传感器模块的数值分析移动机器人已经调整到正确的航向，移动机器人模式由磁钉定位模式转变为GPS导航模式。
其中磁传感器模块采用了二块HMC5883L模块，提高了整体精度，测得磁感强度获得移动机器人航向信息，通过控制伺服电机转速实现移动机器人磁钉定位。在移动机器人行驶过程中两种模式不断切换。该方法结合两种技术，使导航的精度更高，实时性更好。

Claims (3)

1.一种磁钉定位辅助的GPS/INS导航系统，包括GPS数据接收与处理模块；其特征在于：该导航系统还包括惯性导航系统、惯性导航系统处理模块、铺设在地面上的若干个磁钉、安装在机器人上用于检测磁钉磁场强度的磁传感器模块、驱动机器人的伺服电机、编码器模块以及控制伺服电机的中央处理单元；所述中央处理单元包括卡尔曼滤波模块和伺服电机控制模块；所述惯性导航系统、惯性导航系统处理模块与中央处理单元的卡尔曼滤波模块依次电连接，GPS数据接收与处理模块与中央处理单元的卡尔曼滤波模块电连接，伺服电机与中央处理单元的伺服电机控制模块电连接，磁传感器模块和中央处理单元电连接。
2.根据权利要求1所述的磁钉定位辅助的GPS导航系统，其特征在于：所述磁传感器模块为HMC5883L模块。
3.根据权利要求2所述的磁钉定位辅助的GPS导航系统，其特征在于：所述中央处理单元采用PID控制方式控制伺服电机。
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