CN113655511A - 一种基于gps和ins的移动机器人定位系统 - Google Patents

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张学恒
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    • 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
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system
    • G01S19/49—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system whereby the further system is an inertial position system, e.g. loosely-coupled
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments

Abstract

本发明提供一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统，属于计算机设备技术领域，包括机器人终端设备和机器人监控平台两个部分。采用GPS全球定位技术和INS惯性导航相结合的方式对机器人进行精准定位，可以有效避免传统定位方式中由于GPS盲区和基站位置限制带来的定位误差。通过基于GPS和INS的机器人精准定位系统，用户可以用系统监控平台远程监控机器人，有效管理机器人的位置。

Description

一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统
技术领域
本发明涉及计算机设备技术领域，尤其涉及一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统。
背景技术
随着经济的迅速发展和人民生活水平的提高，各类机器人(如：配送机器人，安防机器人，客服机器人等)的数量也急剧增加。如何利用现代技术保障机器人的安全运行，减少机器人管理带来的弊端，科学方便的管理机器人，是各类机器人用户面临的共同问题。而随着GPS全球定位技术、INS惯性导航技术、MQTT通信协议的发展，为这类问题的解决提供了技术支持。
机器人终端设备所处环境的复杂性和多变性，将会导致终端设备通信质量的不稳定。在传统的终端设备与服务器间的通信方式中，HTTP是应用较广泛的一种通讯协议。但是，在面对物联网领域中低带宽、高延迟的通讯特点时，其Request/Response(请求/应答)的沟通模式，协议开销较大，同时对终端和服务器的网络质量要求较高。
定位数据的漂移现象和机器人在拐弯处运动状态的判断是影响机器人运行轨迹正确绘制的关键问题。在被树木遮挡或高大建筑物附近的环境中，GPS定位存在严重的定位数据漂移的现象，机器人在静止状态下这种现象同样是很严重。为了解决上述问题，需要对定位数据进行优化处理，以在地图上得到合理的运行轨迹。传统的定位数据优化处理方式多是在服务器端进行的，比如GIS技术、卡尔曼滤波算法等，这种方式将极大的增加服务器的运算压力。
当机器人处于GPS定位盲区时，机器人的运行轨迹会出现凭空“消失”的假象。传统的解决方式是采用基站定位，但是由于手机基站的数量和位置的影响，导致基站定位方式的定位精度受到极大限制。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统。
本发明的技术方案是：
一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统，包括机器人终端设备和机器人监控平台两个部分。
机器人终端设备完成机器人定位数据采集、机器人状态、定位数据发送和定位数据优化处理(包括对拐点的判断、对速度漂移的处理、对盲区的处理)等工作。
机器人监控平台则是将机器人终端设备发送的数据集中和管理，供用户对机器人的位置查询和历史轨迹回放，在监控平台还可以进行新用户的注册和对用户信息及机器人状态信息管理。
进一步的，
机器人终端设备的硬件板卡采用Air800为主控模块，该模块集成GSM通信单元和GPS定位单元，同时可以实现对外围功能模块的控制和数据采集，并且可以对终端数据进行处理。
机器人在非GPS定位盲区内采用GPS进行定位，当机器人进入GPS定位盲区时，就采用INS技术根据机器人的运行状态进行航迹推算。
另外，还包括电源模块、传感器模块(加速度、超声波)、机器人电量控制模块等。
进一步的，
另外，机器人监控平台基于web端，采用java语言进行开发。上位机和下位机采用MQTT协议进行通讯，采用此协议可以避免因为网络质量弱带来的定位盲区。
本发明的有益效果是
采用GPS全球定位技术和INS惯性导航相结合的方式对机器人进行精准定位，可以有效避免传统定位方式中由于GPS盲区和基站位置限制带来的定位误差。通过基于GPS和INS的机器人精准定位系统，用户可以用系统监控平台远程监控机器人，有效管理机器人的位置。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是硬件控制板卡框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统，包括
(1)采用MQTT通讯协议实现终端设备与服务器间的通信。
(2)在终端进行机器人定位数据的优化处理。
(3)采用GPS(全球定位系统)与INS(惯性导航技术)相结合的定位方式
(1)采用MQTT通讯协议实现终端设备与服务器间的通信。考虑到以上因素，本系统设计采用MQTT协议来实现终端设备与服务器间的通信，实现协议二进制格式进行编码和解码，易于开发和实现，并且该协议是小型传输，固定长度的头部是2字节，开销较小，以降低网络流量开销，MQTT协议采用的Publish/Subscribe(发布/订阅)模式，使得设备对网络质量的要求大大降低。
(2)在终端进行机器人定位数据的优化处理。
本系统提出在终端处理器中实现对定位数据进行过滤、优化，提高了定位数据的精度，同时采用阈值比较的方式对机器人在拐弯处的拐点进行判断，使机器人运行轨迹更加合理。在终端对定位数据的优化处理，大大降低了服务器的运行负担。
(3)采用GPS与INS(惯性导航技术)相结合的定位方式。
本系统提出GPS与INS相结合的定位方式，机器人在非GPS定位盲区内采用GPS进行定位，当机器人进入GPS定位盲区时，就采用INS技术根据机器人的运行状态进行航迹推算。相较于传统的GPS盲区内的定位方式，本系统提出的惯性导航技术的定位精度更高，而且对终端设备的网络质量的要求大大降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于GPS和INS的移动机器人定位系统，其特征在于，
包括机器人终端设备和机器人监控平台两个部分；采用GPS全球定位技术和INS惯性导航相结合的方式对机器人进行定位；
机器人终端设备完成机器人定位数据采集、机器人状态、定位数据发送和定位数据优化处理工作；
机器人监控平台则是将机器人终端设备发送的数据集中和管理，供用户对机器人的位置查询和历史轨迹回放。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述优化处理包括对拐点的判断、对速度漂移的处理、对盲区的处理。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
机器人终端设备的硬件板卡采用Air800为主控模块，该模块集成GSM通信单元和GPS定位单元，同时可以实现对外围功能模块的控制和数据采集，并且可以对终端数据进行处理。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
机器人在非GPS定位盲区内采用GPS进行定位，当机器人进入GPS定位盲区时，就采用INS技术根据机器人的运行状态进行航迹推算。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
另外，还包括电源模块、传感器模块、机器人电量控制模块。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
在监控平台还可以进行新用户的注册和对用户信息及机器人状态信息管理。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
另外，机器人监控平台基于web端，采用java语言进行开发。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
上位机和下位机采用MQTT协议进行通讯，避免因为网络质量弱带来的定位盲区。
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