CN108279004A - 一种基于摄动动作的单gps机器人导航方法 - Google Patents

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尹平安
孙云勇
杨金波
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Abstract

本发明公开了一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，通过摄动命令配合里程计限制摄动距离；依据GPS传感器采集的位置信息计算摄动距离；通过GPS测量数据计算出的绝对位置与里程计测量的位置增量进行校验；校验正确后根据机器人初始绝对位置和终止绝对位置计算出初始方向并回退到初始位姿；再次校验回退初始位姿是否正确，若是，完成摄动。本发明有效解决了小型机器人的初始姿态测量问题并且缩减了成本。

Description

一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法
技术领域
本发明属于移动机器人导航技术领域，尤其涉及一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法。
背景技术
移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术，机械工程，电子工程，计算机工程，自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。
随着移动机器人性能不断地完善，不仅在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷、搜捕、救援等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。
自动导航技术作为移动机器人研究中的一项重要内容，现已成为该领域的研究热点。目前移动机器人导航方式很多，根据环境信息的完整性、导航指示信号类型以及导航地域的不同，可以分为电磁导航、直接坐标导航、GPS导航、超声波导航、激光导航、地图匹配导航、基于路标的导航、基于视觉的图像识别导航和基于感知器的导航等。
全球定位系统(Global Positioning System))简称GPS，是美国国防部研制的第二代卫星系统。GPS是一种以空间卫星为基础的高精度导航与定位系统，该系统由24颗卫星组成，分布在六个轨道面上，卫星距地面约两万公里，绕地球一周时间约为11小时58分钟，因此在地球表面任何地区，任何时候都可以至少同步接收四颗以上的卫星信号。GPS不断向地面发送导航电文，地面上任何位置只需根据4颗卫星信道的电文就可以解算出当前接收者的三维位置，从而实现了全球、全天候、三维位置、三维速度的信号接收和实时定位导航。
室外智能移动机器人运动方向的测定，常用的方法有惯性陀螺测量法和GPS卫星接收机测量法。利用惯性陀螺测量载体航向角的方法是一种传统的角度测量方式，它能够比较准确地给出载体的运动方向及姿态信息，不受外界干扰，但结构复杂，需要配合指北仪使用，价格偏高，且测量误差随时间积累而递增。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，旨在解决现有惯性陀螺测量载体航向角的方法装置结构复杂、价格偏高、误差积累等问题。
本发明是这样实现的，一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，该方法包括以下步骤：
S1、通过摄动命令配合里程计限制摄动距离；
S2、依据GPS传感器采集的位置信息计算摄动距离；
S3、通过GPS测量数据计算出的绝对位置与里程计测量的位置增量进行校验；
S4、校验正确后根据机器人初始绝对位置和终止绝对位置计算出初始方向并回退到初始位姿；
S5、再次校验回退初始位姿是否正确，若是，完成摄动。
优选地，在步骤S1中，所述通过摄动命令配合里程计限制摄动距离具体包括以下步骤：
摄动开始前，利用GPS采集的数据计算当前初始位置A(xa,ya)，同时将里程计计数清零；
移动机器人开始前进并用编码器记录其前进距离d，当d＝dp时停车，记录GPS采集的坐标即摄动点B(xb,yb)；
机器人开始倒车，当编码器计数归零时停车，GPS记录末位置C(xc，yc)，完成摄动命令。
优选地，在步骤S2中，所述摄动距离的计算具体为：利用公式 依据GPS回传数据计算出摄动距离dGPS。
优选地，在步骤S3中，所述校验具体为：判断是否|dGPS-d|＜ε，所述ε为误差允许范围，若是，则进入步骤S4，否则报错。
优选地，在步骤S4中，所述初始位姿为机器人前进方向与X轴夹角θ，所述夹角θ公式计算得到。
优选地，在步骤S5中，所述初始位姿的校验具体为：判断是否|yc-ya|＜ε且|xc-xa|＜ε，若是，完成摄动，否则报错。
本发明是针对移动机器人初始运动方向未知问题提出的，具体涉及了一种利用单一高精度GPS确定移动机器人初始运动方向的方法。首先通过摄动命令配合里程计限制摄动距离，再依据GPS传感器回传数据解算起始点和终止点的位置信息，通过GPS测量数据计算出的绝对位置与里程计测量的位置增量进行校验，校验正确后根据机器人初始绝对位置和终止绝对位置计算出初始方向并回退到初始状态，最后再次校验回退初始点是否正确。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种仅用单一高精度GPS的情况下解决移动机器人初始姿态未知的问题的方法，令机器人完成摄动动作，同时GPS在摄动过程中采集起点和摄动点的坐标，再根据所得坐标计算出机器人的初始姿态，有效解决了小型机器人的初始姿态测量问题并且缩减了成本。
附图说明
图1是本发明基于摄动动作的单GPS机器人导航方法的步骤流程图；
图2是本发明机器人摄动动作在基坐标下的轨迹图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1、通过摄动命令配合里程计限制摄动距离；
S2、依据GPS传感器采集的位置信息计算摄动距离；
S3、通过GPS测量数据计算出的绝对位置与里程计测量的位置增量进行校验；
S4、校验正确后根据机器人初始绝对位置和终止绝对位置计算出初始方向并回退到初始位姿；
S5、再次校验回退初始位姿是否正确，若是，完成摄动。
结合图2说明本发明方法，根据实际机器人工作空间特性及采样频率等通过实验测试确定dp大小，使机器人实际摄动误差控制在允许范围内。其中，dp的大小与传感器采样频率f成反比，与传感器误差精度D成正比，即有如下关系式：建立机器人工作空间基坐标系xOy。
如步骤S1所述，摄动开始前，利用GPS采集的数据计算当前初始位置A(xa,ya)，同时将里程计计数清零；
移动机器人开始前进并用编码器记录其前进距离d，当d＝dp时停车，记录GPS采集的坐标即摄动点B(xb,yb)；
机器人开始倒车，当编码器计数归零时停车，GPS记录末位置C(xc，yc)，完成摄动命令。
如步骤S2所述，利用公式依据GPS回传数据计算出摄动距离dGPS。
如步骤S3所述，所述校验具体为：判断是否|dGPS-d|＜ε，所述ε为误差允许范围。校验当前的里程计数据和利用位置数据计算的里程差是否在允许误差范围内，若超出允许范围则视为摄动数据无效，返回错误信息；若在允许误差范围内则继续计算。
如步骤S4所述，利用公式计算出机器人运动轨迹与x轴夹角θ即可得机器人初始位姿。
如步骤S5所述，给机器人下达后退指令，使机器人倒退直到里程计为零停止运动。判断是否|yc-ya|＜ε且|xc-xa|＜ε(其中ε为机器人位置允许最大误差误差)，若是，完成摄动，否则报错。
本发明令机器人完成摄动动作，同时GPS在摄动过程中采集起点和摄动点的坐标，再根据所得坐标计算出机器人的初始姿态，有效解决了小型机器人的初始姿态测量问题并且缩减了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、通过摄动命令配合里程计限制摄动距离；
S2、依据GPS传感器采集的位置信息计算摄动距离；
S3、通过GPS测量数据计算出的绝对位置与里程计测量的位置增量进行校验；
S4、校验正确后根据机器人初始绝对位置和终止绝对位置计算出初始方向并回退到初始位姿；
S5、再次校验回退初始位姿是否正确，若是，完成摄动。
2.如权利要求1所述的基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，其特征在于，在步骤S1中，所述通过摄动命令配合里程计限制摄动距离具体包括以下步骤：
摄动开始前，利用GPS采集的数据计算当前初始位置A(xa,ya)，同时将里程计计数清零；
移动机器人开始前进并用编码器记录其前进距离d，当d＝dp时停车，记录GPS采集的坐标即摄动点B(xb,yb)；
机器人开始倒车，当编码器计数归零时停车，GPS记录末位置C(xc，yc)，完成摄动命令。
3.如权利要求2所述的基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，其特征在于，在步骤S2中，所述摄动距离的计算具体为：利用公式依据GPS回传数据计算出摄动距离dGPS。
4.如权利要求3所述的基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，其特征在于，在步骤S3中，所述校验具体为：判断是否|dGPS-d|＜ε，所述ε为误差允许范围，若是，则进入步骤S4，否则报错。
5.如权利要求4所述的基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，其特征在于，在步骤S4中，所述初始位姿为机器人前进方向与X轴夹角θ，所述夹角θ公式计算得到。
6.如权利要求5所述的基于摄动动作的单GPS机器人导航方法，其特征在于，在步骤S5中，所述初始位姿的校验具体为：判断是否|yc-ya|＜ε且|xc-xa|＜ε，若是，完成摄动，否则报错。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113272753A (zh) * 2019-01-08 2021-08-17 胡斯华纳有限公司 机器人工具、导航和限定机器人工具的工作区域的方法

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