CN112797979A - 一种应用于agv的惯性姿态导航系统 - Google Patents

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Abstract

一种应用于AGV的惯性姿态导航系统的工作过程如下：step1,惯性姿态导航系统随AGV开机，读取flash初始值，获取姿态初始矩阵和静基座对准；step2,系统检查flash中是否存在静止校准参数值；step3,系统以1000HZ频率采集三轴陀螺与三轴加速度计的数据，获得三轴加速度和三轴角速率的数据，毕卡算法更新四元数，并解算欧拉角；step4,陀螺Z轴进行低通滤波运算，将运算后的值加入姿态角四元数更新中；step5,系统根据三轴加速度计和当前解算角度进行自适应卡尔曼滤波计算；step6,系统检查flash中是否存在航向角尺度误差校准值；step7,系统等待用户发送当前环境校准指令。

Description

一种应用于AGV的惯性姿态导航系统
技术领域
本发明涉及到惯性导航领域，较为具体的，涉及到一种应用于AGV的惯性姿态导航系统。
背景技术
AGV(Automated Guided Vehicle)即自动导引运输车，也是我们常说的仓储机器人。AGV种类繁多，但除磁导航之外，其他所有导航模式都需要惯性姿态导航系统进行辅助导航，随着近年来AGV设备逐渐取代人力而成为工厂流水生产线和大型港口、仓库管理的主力军，适用于AGV的惯性姿态导航系统也就成为目前需求最大的惯导系统之一。
AGV领域使用惯性姿态导航系统(以下简称：惯导)主要是使用其航向角、俯仰角、横滚角数据，当下AGV需要精准的航向角数据，俯仰角和横滚角数据主要是用来防止AGV倾翻，然而航向角数据只来源于陀螺，对陀螺的校准精度决定了航向角的精度。
发明内容
本发明专利的应用于AGV的惯性姿态导航系统专为汽车设计，专为AGV 设计，基于32位MCU和三轴陀螺、三轴加速度计数据进行解算，通过将系统分为两部分，第一部分为数据解算和滤波，第二部分为校准策略组，系统在这两部分算法策略的融合下，能够输出精准的航向角、俯仰角和横滚角。
本系统由如下两部分组成：
第一部分：数据解算和滤波，数据解算和滤波包括：姿态角解算与更新、自适应卡尔曼滤波和离散低通滤波，通过采集三轴陀螺和三轴加速度计的值进行惯性姿态四元数解算，系统使用毕卡算法进行更新，更新公式如下式1，其中Qk是当前四元数，Qk-1是前一时刻四元数，Δθ是角增量模值，ΔΘ为角增量Δθ计算中间变量，如下式2，I为4维单位阵。
Figure BDA0002876060320000021
Figure BDA0002876060320000022
将俯仰角、横滚角作为状态量，将三轴加速度计的值作为量测量，从而进行自适应卡尔曼滤波，由此可实时修正俯仰角和横滚角；由于航向角数据主要来源于陀螺Z轴，故对陀螺Z轴数据进行低通滤波，公式如下式3,其中LFn 为当前滤波输出值，LFn-1为前时刻滤波输出值，a为滤波系数，该系统a取 0.3。
LFn＝a*GYROXn+(1-a)*LFn-1 (式3)
第二部分：校准策略组，校准策略组包括：静止校准、当前环境校准和航向角尺度误差校准，将系统模块静止放置于水平台上，系统接收到静止校准指令后将进行10秒的校准，期间系统自动求取陀螺和加速度计的零偏并将此数据保存在MCU的flash中。该校准是出厂设置的一道工序；系统接收到当前环境校准指令后进行3秒的校准，期间系统自动求取陀螺Z轴的零偏，用户在使用过程中将能够根据需要多次进行该校准；将系统放置在能够水平旋转180°的平台上，平台旋转180°将给系统发送尺度误差校准指令，该系统接收到指令后进行尺度校准并将校准值保存在MCU的flash中。
所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统的工作过程如下:
step1,惯性姿态导航系统随AGV开机，前3秒内完成系统初始化，读取flash初始值，获取姿态初始矩阵和静基座对准；
step2,系统检查flash中是否存在静止校准参数值，若存在则读出并加入陀螺原始值的修正，若不存在则等待指令，当收到静止校准指令时进行10 秒的静止校准；
step3,系统以1000HZ频率采集三轴陀螺与三轴加速度计的数据，获得三轴加速度和三轴角速率的数据，毕卡算法更新四元数，并解算欧拉角；
step4,陀螺Z轴进行低通滤波运算，将运算后的值加入姿态角四元数更新中；
step5,系统根据三轴加速度计和当前解算角度进行自适应卡尔曼滤波计算，获得修正的俯仰角和横滚角；
step6,系统检查flash中是否存在航向角尺度误差校准值，若存在则读出该数值并加入航向角修正，若不存在则将在获得尺度误差校准指令后进行航向角尺度误差校正；
step7,系统等待用户发送当前环境校准指令，当接收到该指令后，立刻进行3秒的当前环境校准，得到的值加入航向角误差校正。
进一步的，步骤step2中，静止校准为将系统模块静止放置于水平台上，系统接收到静止校准指令后将进行10秒的校准，期间系统自动求取陀螺和加速度计的零偏并将此数据保存在MCU的flash中。该校准是出厂设置的一道工序。
进一步的，步骤step3中，毕卡算法更新公式如下式1，其中Qk是当前四元数，Qk-1是前一时刻四元数，Δθ是角增量模值，ΔΘ为角增量Δθ计算中间变量，如下式2，I为4维单位阵。
Figure BDA0002876060320000031
Figure BDA0002876060320000032
进一步的，步骤step4中，对陀螺Z轴数据进行低通滤波的公式如下式 3,其中LFn为当前滤波输出值，LFn-1为前时刻滤波输出值，a为滤波系数，该系统a取0.3，
LFn＝a*GYROXn+(1-a)*LFn-1 (式 3)。
进一步的，步骤step5中，卡尔曼滤波C将俯仰角、横滚角作为状态量，将三轴加速度计的值作为量测量。
进一步的，步骤step6中，航向角修正的操作步骤为：将系统放置在能够水平旋转180°的平台上，平台旋转180°将给系统发送尺度误差校准指令，该系统接收到指令后进行尺度校准并将校准值保存在MCU的flash中。
进一步的，步骤step7中，系统接收到当前环境校准指令后进行3秒的校准，期间系统自动求取陀螺Z轴的零偏，用户在使用过程中将能够根据需要多次进行该校准。
附图说明
图1为本发明的应用于AGV的惯性姿态导航系统的运行流程图。
图2为本发明的应用于AGV的惯性姿态导航系统的系统连接框图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
具体实施案例1：
如图1所示，为本发明的应用于AGV的惯性姿态导航系统的运行流程图；如图2所示，为本发明的应用于AGV的惯性姿态导航系统的系统连接框图。
应用于AGV的惯性姿态导航系统的工作过程如下:
step1,惯性姿态导航系统随AGV开机，前3秒内完成系统初始化，读取flash初始值，获取姿态初始矩阵和静基座对准；
step2,系统检查flash中是否存在静止校准参数值，若存在则读出并加入陀螺原始值的修正，若不存在则等待指令，当收到静止校准指令时进行10 秒的静止校准；
step3,系统以1000HZ频率采集三轴陀螺与三轴加速度计的数据，获得三轴加速度和三轴角速率的数据，毕卡算法更新四元数，并解算欧拉角；
step4,陀螺Z轴进行低通滤波运算，将运算后的值加入姿态角四元数更新中；
step5,系统根据三轴加速度计和当前解算角度进行自适应卡尔曼滤波计算，获得修正的俯仰角和横滚角；
step6,系统检查flash中是否存在航向角尺度误差校准值，若存在则读出该数值并加入航向角修正，若不存在则将在获得尺度误差校准指令后进行航向角尺度误差校正；
step7,系统等待用户发送当前环境校准指令，当接收到该指令后，立刻进行3秒的当前环境校准，得到的值加入航向角误差校正。
进一步的，步骤step2中，静止校准为将系统模块静止放置于水平台上，系统接收到静止校准指令后将进行10秒的校准，期间系统自动求取陀螺和加速度计的零偏并将此数据保存在MCU的flash中。该校准是出厂设置的一道工序。
进一步的，步骤step3中，毕卡算法更新公式如下式1，其中Qk是当前四元数，Qk-1是前一时刻四元数，Δθ是角增量模值，ΔΘ为角增量Δθ计算中间变量，如下式2，I为4维单位阵。
Figure BDA0002876060320000051
Figure BDA0002876060320000052
进一步的，步骤step4中，对陀螺Z轴数据进行低通滤波的公式如下式 3,其中LFn为当前滤波输出值，LFn-1为前时刻滤波输出值，a为滤波系数，该系统a取0.3，
LFn＝a*GYROXn+(1-a)*LFn-1 (式 3)。
进一步的，步骤step5中，卡尔曼滤波C将俯仰角、横滚角作为状态量，将三轴加速度计的值作为量测量。
进一步的，步骤step6中，航向角修正的操作步骤为：将系统放置在能够水平旋转180°的平台上，平台旋转180°将给系统发送尺度误差校准指令，该系统接收到指令后进行尺度校准并将校准值保存在MCU的flash中。
进一步的，步骤step7中，系统接收到当前环境校准指令后进行3秒的校准，期间系统自动求取陀螺Z轴的零偏，用户在使用过程中将能够根据需要多次进行该校准。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种应用于AGV的惯性姿态导航系统的工作过程如下:
step1,惯性姿态导航系统随AGV开机，前3秒内完成系统初始化，读取flash初始值，获取姿态初始矩阵和静基座对准；
step2,系统检查flash中是否存在静止校准参数值，若存在则读出并加入陀螺原始值的修正，若不存在则等待指令，当收到静止校准指令时进行10秒的静止校准；
step3,系统以1000HZ频率采集三轴陀螺与三轴加速度计的数据，获得三轴加速度和三轴角速率的数据，毕卡算法更新四元数，并解算欧拉角；
step4,陀螺Z轴进行低通滤波运算，将运算后的值加入姿态角四元数更新中；
step5,系统根据三轴加速度计和当前解算角度进行自适应卡尔曼滤波计算，获得修正的俯仰角和横滚角；
step6,系统检查flash中是否存在航向角尺度误差校准值，若存在则读出该数值并加入航向角修正，若不存在则将在获得尺度误差校准指令后进行航向角尺度误差校正；
step7,系统等待用户发送当前环境校准指令，当接收到该指令后，立刻进行3秒的当前环境校准，得到的值加入航向角误差校正。
2.如权利要求1所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统，其特征在于：步骤step2中，静止校准为将系统模块静止放置于水平台上，系统接收到静止校准指令后将进行10秒的校准，期间系统自动求取陀螺和加速度计的零偏并将此数据保存在MCU的flash中。该校准是出厂设置的一道工序。
3.如权利要求1所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统，其特征在于：步骤step3中，毕卡算法更新公式如下式1，其中Qk是当前四元数，Qk-1是前一时刻四元数，Δθ是角增量模值，ΔΘ为角增量Δθ计算中间变量，如下式2，I为4维单位阵，
Figure FDA0002876060310000011
Figure FDA0002876060310000021
4.如权利要求1所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统，其特征在于：步骤step4中，对陀螺Z轴数据进行低通滤波的公式如下式3,其中LFn为当前滤波输出值，LFn-1为前时刻滤波输出值，a为滤波系数，该系统a取0.3，LFn＝a*GYROXn+(1-a)*LFn-1 (式3)。
5.如权利要求1所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统，其特征在于：步骤step5中，卡尔曼滤波C将俯仰角、横滚角作为状态量，将三轴加速度计的值作为量测量。
6.如权利要求1所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统，其特征在于：步骤step6中，航向角修正的操作步骤为：将系统放置在能够水平旋转180°的平台上，平台旋转180°将给系统发送尺度误差校准指令，该系统接收到指令后进行尺度校准并将校准值保存在MCU的flash中。
7.如权利要求1所述的应用于AGV的惯性姿态导航系统，其特征在于：步骤step7中，系统接收到当前环境校准指令后进行3秒的校准，期间系统自动求取陀螺Z轴的零偏，用户在使用过程中将能够根据需要多次进行该校准。
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