CN109540131B - 一种移动机器人组合惯性导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人组合惯性导航系统及方法，包括两个安装在移动机器人上的能满足常速修正信息条件的从动仿步态结构，以及安装在从动仿步态结构上的至少两个惯性导航器件；还包括一个安装在移动机器人机架上的惯性导航器件；两个从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止；分别安装在两个从动仿步态结构上的两个惯性导航器件能够利用相对地面静止的瞬间完成常速修正信息；安装在移动机器人机架上的惯性导航器件通过两个惯性导航器件的修正结果进行运算得到导航信息。本发明系统设计简单、成本低、适用范围广。

Description

一种移动机器人组合惯性导航系统及方法

技术领域

本发明涉及一种导航系统，具体说是一种移动机器人组合惯性导航系统及方法。

背景技术

随着机器人技术的迅速发展，各种移动机器人正不断地被研发出来并应用于不同的场合以满足各种各样的需求。可靠准确的导航信息是移动机器人能够正常运行的关键条件。从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。从狭义上讲导航是指给航行载体提供实时的姿态、速度和位置信息的技术和方法。现代比较常见的几种导航技术，包括天文导航、惯性导航、卫星导航、无线电导航、视觉导航等等。其中，只有惯性导航是完全自主的。惯性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、速度、位置等信息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。它不依赖于外部环境或信号，并且能够实时提供全面的导航信息，包括角速度，加速度，速度，姿态以及位移等。

惯性导航具有如下独特的优点：1)由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2)可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3)能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4)数据更新率高、短期精度和稳定性好。但是同时惯性导航也有缺点：1)由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2)高精度设备的价格较昂贵；3)不能给出时间信息。

因此，提供了一种(地面)移动机器人组合惯性导航系统方案，充分利用惯性导航的优点，通过设计一套设置在移动机器人上的能够满足常速修正条件的运动机构，对低成本惯性导航器件进行连续修正，从而实现可靠实用的移动机器人组合惯性导航，成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对地面移动机器人不间断精确导航的问题，本发明提供了一种低成本组合惯性导航系统设计方案，该系统设计简单、成本低、适用范围广。

本发明解决其技术问题的是通过下述技术方案来实现的：

一种移动机器人组合惯性导航系统，包括两个安装在移动机器人上的能满足常速修正信息条件的从动仿步态结构，以及安装在所述从动仿步态结构上的至少两个惯性导航器件；还包括一个安装在移动机器人机架上的惯性导航器件；

两个从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止；分别安装在所述两个从动仿步态结构上的两个惯性导航器件能够利用相对地面静止的瞬间完成常速修正信息；安装在移动机器人机架上的惯性导航器件通过所述两个惯性导航器件的修正结果进行运算得到导航信息。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述从动仿步态结构包括滑块约束支架、沿滑块约束支架上下运动的滑块和连接在滑块上的齿轮固定机构，在滑块上设有与齿轮固定机构连接的啮合柱，在滑块的下方设有地面接触头。

优选的，所述啮合柱沿滑块水平间隔分布，所述齿轮固定机构上铰接有与所述啮合柱啮合的齿轮，齿轮固定机构一端连接在移动机器人上。

优选的，所述滑块通过竖直导槽沿滑块约束支架做竖直运动。

优选的，所述滑块约束支架通过滑块水平移动约束支架固定在移动机器人支架上。

优选的，所述惯性导航器件包括陀螺仪和加速度计，两个安装在从动仿步态结构上的陀螺仪和加速度计分别与地面呈45°角安装在滑块上；安装在移动机器人机架上的惯性导航器件与所述两个惯性导航器件相连接，从动仿步态结构上两个惯性导航器件采集的信息进行常速修正，根据实际需要可以将常速修正结果传输到机架上的惯性导航器件中，通过比较计算进行进一步修正，计算得到修正结果。

本发明进而给出了一种移动机器人组合惯性导航方法，包括如下步骤：

1)机器人移动时，通过链条带动齿轮转动，进而带动从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止；

2)通过惯性导航器件中的加速度计和陀螺仪同时进行数据采集，并计算加速度的模值和陀螺仪的幅值，采用零速检测算法进行计算；

3)将计算结果与给定的阈值进行比较，如果均不大于阈值则可判定为从动仿步态结构处于与地面接触状态；如果有数据输出则返回继续循环此过程，如果无数据输出则判定为机器人停止移动。

优选的，所述零速检测算法包括：

21)同时利用加速度计和陀螺仪的输出进行零速点检测，然后通过三个惯性导航器件进行竖直方向震动产生的数据采集并修正；

加速度矢量的模值为：

其中，|A(k)|表示k时刻加速度矢量和，a_x(k)²、a_y(k)²、a_z(k)²分别表示k时刻三个惯性导航器件在不同方向上加速度计输出值；

22)当|A(k)|≤T_max时，认为从动仿步态结构相对于地面静止；其中，T_max为加速度矢量摸的阈值；

23)当横向陀螺仪输出角速率绝对值满足|ω_y(k)|≤T_ω时，认为从动仿步态结构相对于地面静止；其中，|ω_y(k)|表示k时刻横向陀螺仪输出的绝对值，T_ω为角速度阈值。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

从动仿步态结构可以减小运动过程中拐弯、上下坡时信息采集带来的误差；惯性导航器件的非垂直安装方式，能够有效的减少触头与地面接触时产生的冲击误差；多个惯性导航器件组成惯性导航系统能对产生的误差进行修正。

本发明巧妙地解决了设置在移动机器人上的惯性导航器件连续修正难题，为移动机器人的推广应用和降低成本提供了可靠实用的导航方案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明三个惯性导航器件之间的关系。

图2是本发明从动仿步态结构原理图；

图3是本发明侧视图；

图4是本发明主视图；

图5是本发明惯性导航方法流程图。

图中，1、滑块，2、啮合柱，3、齿轮，4、链条，5、右地面接触头，6、动力系统，7、右惯性导航器件Ⅱ，8、惯性导航器件Ⅲ，9、左惯性导航器件Ⅰ，10、左地面接触头，11、滑块约束支架，12、竖直导槽，13、齿轮固定机构，14、滑块水平移动约束支架。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明的移动机器人组合惯性导航系统，如图1所示，包括两个安装在移动机器人上的能满足常速修正信息条件的从动仿步态结构，以及安装在从动仿步态结构上的至少两个惯性导航器件IMU1和IMU2(图3中左惯性导器件Ⅰ9、右惯性导航器件Ⅱ7)；还包括一个安装在移动机器人机架上的惯性导航器件IMU3(图3中Ⅲ8)。本发明系统需要3个及以上的惯性导航器件同时工作来实现，两个从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止，分别安装在两个从动仿步态结构上的两个惯性导航器件IMU1和IMU2能够利用相对地面静止的瞬间完成常速修正信息；安装在移动机器人机架上的惯性导航器件IMU3通过两个惯性导航器件随着从动仿步态结构的运动采集实时数据，同时机架上的惯性导航器件Ⅲ8随着机架的运动采集数据，并与从动仿步态结构上导航器件采集的数据进行比较修正，根据修正结果进行运算得到导航信息。

本发明设计的从动仿步态结构，如图2所示，整个从动仿步态结构通过滑块水平移动约束支架14与机器人以轨道滑动方式相连接，且整个从动仿步态结构在滑块水平移动约束支架14轨道约束下只做水平左右运动。从动仿步态结构包括滑块约束支架11、沿滑块约束支架11上下运动的滑块1和连接滑块1的齿轮固定机构13，在滑块1上设有与齿轮固定机构13连接的啮合柱2，在滑块1的下方设有左地面接触头10和右地面接触头5。啮合柱2沿滑块1水平间隔分布，齿轮固定机构13上铰接有与啮合柱2啮合的齿轮3，齿轮固定机构13一端连接在移动机器人上。滑块1与滑块约束支架11之间通过竖直导槽12连接，且滑块在竖直导槽12的约束下只做竖直运动；滑块水平移动约束支架14以轨道滑动方式相连接，外框可以沿滑块水平移动约束支架14左右运动；滑块1在外框内侧导轨约束范围内可以上下运动，齿轮3通过齿轮固定机构13固定于机器人机身上。当齿轮转动时，与滑块上的圆柱啮合，并在滑块上轨道约束下可以带动滑块上移，平移和下移运动，类似于人抬脚，前移和落脚的过程。

本发明应用于移动机器人时，如图3和图4所示，机器人在动力系统6作用下开始运动，运动轴带动链条4，从而带动齿轮3转动，转动的齿轮带动滑块1开始做下移-水平移动-上移-水平移动-下移往复运动，同时带动传感器件7和右地面接触头5做类似运动；其中链条带动滑块的水平运动和机器人水平移动速度相同；左右两边的从动仿步态结构互相衔接，当左边的左地面接触头10与地面接触并保持静止时，右地面接触头5正在上移后水平移动中，两个地面接触头相互交替，类似于人两脚轮换与地面接触前行。

本发明组合惯性导航系统能准确的实现机器人在运动过程中的导航问题，能够对运动过程中由拐弯、上下坡和信号延迟等因素产生的误差进行修正；从动仿步态结构上惯性导航器件的非垂直安装方式，能够有效的减少触头与地面接触时产生的冲击误差；此发明除了可以应用于轮式移动的机器人外，也可以直接使用于两足行走或多足行走的机器人；与传统的惯性导航系统比较，其使用范围更广，精度更高。

惯性导航器件中主要包括陀螺仪和加速度计，用于以机器人当前位置和所述当前的偏移角度为基准，对机器人采用惯性导航方式进行导航。两个安装在从动仿步态结构上的陀螺仪和加速度计分别与地面呈45°角安装在滑块1上，能够有效的减少触头与地面接触时产生的冲击误差。安装在移动机器人机架上的惯性导航器件与两个惯性导航器件相连接，从动仿步态结构上两个惯性导航器件采集的信息进行常速修正，根据实际需要可以将常速修正结果传输到机架上的惯性导航器件中，通过比较计算进行进一步修正，算得到修正结果。

为了减小惯性导航系统对时间积分而产生的误差，设计了从动仿步态结构与惯性导航元器件组合导航系统，从动仿步态结构与地面接触时相对静止，惯性元器件与地面相对静止，可以基于零速检测的加速度量测幅值计步算法，实现了机器人坐标系和仿步态地理坐标系的转换，利用惯性测量元件对机器人行走进行检测，实现了机器人运动姿态的有效识别和步数的精确统计。机器人在行走时，从动仿步态结构可以分为两种运动状态：运动状态和落地静止状态，理论上落地静止状态时，加速度计水平方向输出值应为零,加速度计竖直方向应等于重力常量。根据此特征，可以利用加速度计输出参量的模值、方差和已设定的阈值进行比较，提取机器人行走时的零速点，利用零速点来消除速度误差。

本发明具体的移动机器人组合惯性导航方法，如图5所示。

机器人移动时，从动仿步态结构开始运动，通过链条4带动齿轮3转动，进而带动从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止；通过惯性导航器件中的加速度计和陀螺仪同时进行数据采集，并计算加速度的方差和陀螺仪的幅值，采用零速检测算法进行计算；将计算结果与给定的阈值进行比较，如果均不大于阈值则可判定为从动仿步态结构处于与地面接触状态，如果有数据输出则返回继续循环此过程，如果无数据输出则判定为机器人停止移动。为了避免受到移动震动的影响，出现零速点误判和漏判，采用零速检测算法，该算法同时利用加速度计和陀螺仪的输出进行零速点检测，然后通过第三个惯性导航器件MU3进行竖直方向震动产生的数据采集并修正。

加速度矢量的模值为

其中，|A(k)|表示k时刻加速度矢量和，a_x(k)²、a_y(k)²、a_z(k)²分别表示k时刻三个惯性导航器件在不同方向上加速度计输出值；T_max为加速度矢量模的阈值，当|A(k)|≤T_max时，认为从动仿步态结构相对于地面静止；|ω_y(k)|表示k时刻横向陀螺仪输出的绝对值，T_ω为角速度阈值，当横向陀螺仪输出角速度绝对值满足|ω_y(k)|≤T_ω时，认为从动仿步态结构相对于地面静止。加速度矢量模的阈值和横向陀螺仪角速度的阈值可以根据实验采集的数据进行设定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动机器人组合惯性导航系统，其特征在于，包括两个安装在移动机器人上的能满足常速修正信息条件的从动仿步态结构，以及安装在所述从动仿步态结构上的至少两个惯性导航器件；还包括一个安装在移动机器人机架上的惯性导航器件；

两个从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止；分别安装在所述两个从动仿步态结构上的两个惯性导航器件能够利用相对地面静止的瞬间完成常速修正信息；安装在移动机器人机架上的惯性导航器件通过所述两个惯性导航器件的修正结果进行运算得到导航信息；

所述从动仿步态结构包括滑块约束支架、沿滑块约束支架上下运动的滑块和连接在滑块上的齿轮固定机构，在滑块上设有与齿轮固定机构连接的啮合柱，在滑块的下方设有地面接触头。

2.根据权利要求1所述的一种移动机器人组合惯性导航系统，其特征在于，所述啮合柱沿滑块水平间隔分布，所述齿轮固定机构上铰接有与所述啮合柱啮合的齿轮，齿轮固定机构一端连接在移动机器人上。

3.根据权利要求1所述的一种移动机器人组合惯性导航系统，其特征在于，所述滑块通过竖直导槽沿滑块约束支架做竖直运动。

4.根据权利要求1所述的一种移动机器人组合惯性导航系统，其特征在于，所述滑块约束支架通过滑块水平移动约束支架固定在移动机器人支架上。

5.根据权利要求1所述的一种移动机器人组合惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航器件包括陀螺仪和加速度计，两个安装在从动仿步态结构上的陀螺仪和加速度计分别与地面呈45°角安装在滑块上；安装在移动机器人机架上的惯性导航器件与所述两个惯性导航器件相连接，从动仿步态结构上两个惯性导航器件采集的信息进行常速修正，根据实际需要可以将常速修正结果传输到机架上的惯性导航器件中，通过比较计算进行进一步修正，计算得到修正结果。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述系统的移动机器人组合惯性导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)机器人移动时，通过链条带动齿轮转动，进而带动从动仿步态结构轮流接触地面并在一定的时间范围相对于地面保持静止；

2)通过惯性导航器件中的加速度计和陀螺仪同时进行数据采集，并计算加速度的模值和陀螺仪的幅值，采用零速检测算法进行计算；

3)将计算结果与给定的阈值进行比较，如果均不大于阈值则可判定为从动仿步态结构处于与地面接触状态；如果有数据输出则返回继续循环此过程，如果无数据输出则判定为机器人停止移动。

7.根据权利要求6所述的导航方法，其特征在于，所述零速检测算法包括：

21)同时利用加速度计和陀螺仪的输出进行零速点检测，然后通过惯性导航器件进行竖直方向震动产生的数据采集并修正；

加速度矢量的模值为：

其中，|A(k)|表示k时刻加速度矢量和，a_x(k)²、a_y(k)²、a_z(k)²分别表示k时刻惯性导航器件在不同方向上加速度计输出值；

22)当|A(k)|≤T_max时，认为从动仿步态结构相对于地面静止；其中，T_max为加速度矢量模的阈值；

23)当横向陀螺仪输出角速率绝对值满足|ω_y(k)|≤T_ω时，认为从动仿步态结构相对于地面静止；其中，|ω_y(k)|表示k时刻横向陀螺仪输出的绝对值，T_ω为角速度阈值。

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