CN114593728A - 一种基于多传感器融合的机器人定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多传感器融合的机器人定位系统。本发明中，所述红外测距传感器、IMU传感器模块、电子罗盘模块、GNSS模块和里程计模块的输出端连接有所述无线连接模块的输入端，GNSS模块针对移动机器人在运动过程中，潜在的线性等量约束和非线性等量约束，提出了基于状态约束的多传感器融合信息融合定位算法，分别建立了基于线性状态约束EKF和非线性状态约束EKF的GNSS/里程计融合定位模型。与EKF算法相比，基于等量状态约束的多传感器融合算法能够显著提高移动机器人的位姿优化估计精度，并且算法具有良好的收敛性，从而提高了该系统在使用时定位的准确性和高效性，提高了定位系统的运行速率，使得人们在使用时更加便利。

Description

一种基于多传感器融合的机器人定位系统
技术领域
本发明属于机器人定位技术领域，具体为一种基于多传感器融合的机器人定位系统。
背景技术
机器人(Robot)是一种能够半自主或全自主工作的智能机器。机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。机器人在运行过程中，需要用到定位系统。
但是常见的定位系统定位传感器较为单一，使得定位时较为不便。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种基于多传感器融合的机器人定位系统。
本发明采用的技术方案如下：一种基于多传感器融合的机器人定位系统，包括电源控制模块、计算机模块、处理器模块、多传感器模块、显示器模块、驱动模块、无线连接模块、红外测距传感器、IMU传感器模块、电子罗盘模块、GNSS模块、里程计模块，所述电源控制模块的输出端连接有所述计算机模块的输入端，所述计算机模块的输出端连接有所述处理器模块的输入端，所述计算机模块的外部固定安装有显示器模块，所述处理器模块的输出端连接有所述多传感器模块和所述无线连接模块的输入端，所述处理器模块的外部电性连接有驱动模块；
所述多传感器模块的内部固定安装有红外测距传感器、IMU传感器模块、电子罗盘模块、GNSS模块和里程计模块，所述红外测距传感器、IMU传感器模块、电子罗盘模块、GNSS模块和里程计模块的输出端连接有所述无线连接模块的输入端。
在一优选的实施方式中，所述处理器模块选择32位ARM微控制器STM32F407作为移动机器人多传感器数据处理和导航控制的嵌入式处理器；该微控制器是基于Cotex.M4内核，内含高性能的32位RISC微控制器、FLASH达到1M，主频最高可配置为168M，并且带有白适应实时加速器；因此能够进行一些复杂的计算和控制；能够较好的满足移动机器人底层数据处理和导航控制的要求。
在一优选的实施方式中，所述红外测距传感器选择GP2D12红外测距传感器，所述红外测距传感器的五路GP2D12的模拟输出信号分别接到STM32的ADC五个通道上，并由嵌入式系统板为GP2D12提供输A.+5V输入电压；且为了提高转换精度，采用REF3033芯片为STM32内部ADC外设提供一个稳定的3.3V基准电压。
在一优选的实施方式中，所述IMU传感器模块选用的是ADI公司的6自由度完整惯性测量单元ADISl6365；其内置一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计和内部温度传感器；内部各传感器均有其自己的动态补偿公式，因此可以准确地测量出运动载体绕三轴角速度和三轴线加速度。
在一优选的实施方式中，所述电子罗盘模块采用的是平面电子罗盘，内部含有x轴和Y轴方向上的磁阻传感器、模/数转换电路和相应的微处理器；电子罗盘数据输出格式为标准RS.232串口数据，每帧数据包含20个字节的16进制数；
所述电子罗盘模块在使用之前需要进行校准，校准步骤为：首先向电子罗盘发送单字节16进制数0xF5，然后开始慢慢转动电子罗盘，为了保证校准的精度，罗盘转动范围大于360度，并且俯仰角度范围尽量小于1度，完成转动后，发送单字节16进制数0xF8，结束整个校准过程。
在一优选的实施方式中，所述GNSS模块中，用于确定移动机器人绝对位置的定位传感器是北斗/GPS双系统定位接收机UM220模块，该接收机数据输出协议为NMEA0183Unicore数据协议，可输出的消息数据类型有GGA、GSV、GSA、RMC、VTG等消息语句；其中，RMC数据格式是NMEA.0813协议中推荐的最小数据，移动机器人导航定位中所需要的经纬度、速度、时间等定位信息均可包含在RMC消息语句中；移动机器人定位中也是针对RMC消息语句进行定位数据解析的；其中UM220模块与STM32F407通过LVTTL电平的形式进行通信；为了增加定位模块接口的通用性，在设计过程中，增加了电平转换芯片MAX3232，用于将定位模块输出的LVTTL电平转换为标准的RS.232电平，进而可以直接与计算机进行通信。
在一优选的实施方式中，所述里程计模块的内部选用的是Faulhaber2342L增量式光电编码器，其分辨率为12线/转，AB双路输出，同时由于直流电机的减速比为64：1，设D为车轮直径，采样周期T时间内，脉冲数增加量为△N，则车轮在T时间内走过的距离S为：
S＝(△N/12*64))*3.14*D。
在一优选的实施方式中，所述电源控制模块包括四部分：工控机电源、嵌入式系统板电源、电机驱动板电源和显示器电源；系统电源主要由三块可充电蓄电池组成，其中，16V蓄电池一路作为电机驱动板的输入电压，一路经过电压转换器(8-40V输入，12V稳压输出)降压输出作为工控机的12V电源；两块12V蓄电池分别为显示器和电源板的12V输入电压；另外，电源转换板将12V电压转换为5V后作为工控机的输入电压，同时电源板将转换后的5V再次降压到3.3V作为嵌入式处理器的输入电压。
在一优选的实施方式中，所述驱动模块选用Sabertooth2x12电机驱动板，它的电压输入范围宽为6-24V，每通道持续电流输出高达12A，具有RC控制、模拟电压控制和串口控制三种控制方式；在控制过程中，STM32F407以串口控制的方式对电机驱动板进行命令的发送；控制协议为：地址字节+命令字节+数据字节+七位校验和；通过一个地址字节来选择目标设备，在发送任何命令之前，需通过发送一个字节(0xAA)让驱动板控制器自动选择波特率，有效的波特率为2400，9600，19200，38400。
在一优选的实施方式中，所述无线连接模块通过Zigbee模块完成的，该模块在室内或者遮挡条件下传输距离为100m，在实际通信控制中，遥控手柄以串口通信的方式向Zigbee无线通信模块发送移动机器人的控制命令，接收到控制指令发送到无线链路，机器人端Zigbee无线通信模块从链路中接收命令并以串口协议发送给STM32F407，经过数据包的解析处理，控制机器人做出相应姿态变化。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，GNSS模块针对移动机器人在运动过程中，潜在的线性等量约束和非线性等量约束，提出了基于状态约束的多传感器融合信息融合定位算法，分别建立了基于线性状态约束EKF和非线性状态约束EKF的GNSS/里程计融合定位模型。与EKF算法相比，基于等量状态约束的多传感器融合算法能够显著提高移动机器人的位姿优化估计精度，并且算法具有良好的收敛性，从而提高了该系统在使用时定位的准确性和高效性，提高了定位系统的运行速率，使得人们在使用时更加便利。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明中多传感器模块系统框图。
图中标记：1-电源控制模块、2-计算机模块、3-处理器模块、4-多传感器模块、5-显示器模块、6-驱动模块、7-无线连接模块、8-红外测距传感器、9-IMU传感器模块、10-电子罗盘模块、11-GNSS模块、12-里程计模块。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-2，
一种基于多传感器融合的机器人定位系统，包括电源控制模块1、计算机模块2、处理器模块3、多传感器模块4、显示器模块5、驱动模块6、无线连接模块7、红外测距传感器8、IMU传感器模块9、电子罗盘模块10、GNSS模块11、里程计模块12，其特征在于：电源控制模块1的输出端连接有计算机模块2的输入端，计算机模块2的输出端连接有处理器模块3的输入端，计算机模块2的外部固定安装有显示器模块5，处理器模块3的输出端连接有多传感器模块4和无线连接模块7的输入端，处理器模块3的外部电性连接有驱动模块6；
多传感器模块4的内部固定安装有红外测距传感器8、IMU传感器模块9、电子罗盘模块10、GNSS模块11和里程计模块12，红外测距传感器8、IMU传感器模块9、电子罗盘模块10、GNSS模块11和里程计模块12的输出端连接有无线连接模块7的输入端。
处理器模块3选择32位ARM微控制器STM32F407作为移动机器人多传感器数据处理和导航控制的嵌入式处理器；该微控制器是基于Cotex.M4内核，内含高性能的32位RISC微控制器、FLASH达到1M，主频最高可配置为168M，并且带有白适应实时加速器；因此能够进行一些复杂的计算和控制；能够较好的满足移动机器人底层数据处理和导航控制的要求。
红外测距传感器8选择GP2D12红外测距传感器，红外测距传感器8的五路GP2D12的模拟输出信号分别接到STM32的ADC五个通道上，并由嵌入式系统板为GP2D12提供输A.+5V输入电压；且为了提高转换精度，采用REF3033芯片为STM32内部ADC外设提供一个稳定的3.3V基准电压。
IMU传感器模块9选用的是ADI公司的6自由度完整惯性测量单元ADISl6365；其内置一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计和内部温度传感器；内部各传感器均有其自己的动态补偿公式，因此可以准确地测量出运动载体绕三轴角速度和三轴线加速度。
电子罗盘模块10采用的是平面电子罗盘，内部含有x轴和Y轴方向上的磁阻传感器、模/数转换电路和相应的微处理器；电子罗盘数据输出格式为标准RS.232串口数据，每帧数据包含20个字节的16进制数。
电子罗盘模块10在使用之前需要进行校准，校准步骤为：首先向电子罗盘发送单字节16进制数0xF5，然后开始慢慢转动电子罗盘，为了保证校准的精度，罗盘转动范围大于360度，并且俯仰角度范围尽量小于1度，完成转动后，发送单字节16进制数0xF8，结束整个校准过程。
GNSS模块11中，用于确定移动机器人绝对位置的定位传感器是北斗/GPS双系统定位接收机UM220模块，该接收机数据输出协议为NMEA0183Unicore数据协议，可输出的消息数据类型有GGA、GSV、GSA、RMC、VTG等消息语句；其中，RMC数据格式是NMEA.0813协议中推荐的最小数据，移动机器人导航定位中所需要的经纬度、速度、时间等定位信息均可包含在RMC消息语句中；移动机器人定位中也是针对RMC消息语句进行定位数据解析的；其中UM220模块与STM32F407通过LVTTL电平的形式进行通信；为了增加定位模块接口的通用性，在设计过程中，增加了电平转换芯片MAX3232，用于将定位模块输出的LVTTL电平转换为标准的RS.232电平，进而可以直接与计算机进行通信。
里程计模块12的内部选用的是Faulhaber2342L增量式光电编码器，其分辨率为12线/转，AB双路输出，同时由于直流电机的减速比为64：1，设D为车轮直径，采样周期T时间内，脉冲数增加量为△N，则车轮在T时间内走过的距离S为：
S＝(△N/12*64))*3.14*D。
电源控制模块1包括四部分：工控机电源、嵌入式系统板电源、电机驱动板电源和显示器电源；系统电源主要由三块可充电蓄电池组成，其中，16V蓄电池一路作为电机驱动板的输入电压，一路经过电压转换器(8-40V输入，12V稳压输出)降压输出作为工控机的12V电源；两块12V蓄电池分别为显示器和电源板的12V输入电压；另外，电源转换板将12V电压转换为5V后作为工控机的输入电压，同时电源板将转换后的5V再次降压到3.3V作为嵌入式处理器的输入电压。
驱动模块6选用Sabertooth2x12电机驱动板，它的电压输入范围宽为6-24V，每通道持续电流输出高达12A，具有RC控制、模拟电压控制和串口控制三种控制方式；在控制过程中，STM32F407以串口控制的方式对电机驱动板进行命令的发送；控制协议为：地址字节+命令字节+数据字节+七位校验和；通过一个地址字节来选择目标设备，在发送任何命令之前，需通过发送一个字节(0xAA)让驱动板控制器自动选择波特率，有效的波特率为2400，9600，19200，38400。
无线连接模块7通过Zigbee模块完成的，该模块在室内或者遮挡条件下传输距离为100m，在实际通信控制中，遥控手柄以串口通信的方式向Zigbee无线通信模块发送移动机器人的控制命令，接收到控制指令发送到无线链路，机器人端Zigbee无线通信模块从链路中接收命令并以串口协议发送给STM32F407，经过数据包的解析处理，控制机器人做出相应姿态变化。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于多传感器融合的机器人定位系统，包括电源控制模块(1)、计算机模块(2)、处理器模块(3)、多传感器模块(4)、显示器模块(5)、驱动模块(6)、无线连接模块(7)、红外测距传感器(8)、IMU传感器模块(9)、电子罗盘模块(10)、GNSS模块(11)、里程计模块(12)，其特征在于：所述电源控制模块(1)的输出端连接有所述计算机模块(2)的输入端，所述计算机模块(2)的输出端连接有所述处理器模块(3)的输入端，所述计算机模块(2)的外部固定安装有显示器模块(5)，所述处理器模块(3)的输出端连接有所述多传感器模块(4)和所述无线连接模块(7)的输入端，所述处理器模块(3)的外部电性连接有驱动模块(6)；
所述多传感器模块(4)的内部固定安装有红外测距传感器(8)、IMU传感器模块(9)、电子罗盘模块(10)、GNSS模块(11)和里程计模块(12)，所述红外测距传感器(8)、IMU传感器模块(9)、电子罗盘模块(10)、GNSS模块(11)和里程计模块(12)的输出端连接有所述无线连接模块(7)的输入端。
2.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述处理器模块(3)选择32位ARM微控制器STM32F407作为移动机器人多传感器数据处理和导航控制的嵌入式处理器。
3.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述红外测距传感器(8)选择GP2D12红外测距传感器。
4.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述IMU传感器模块(9)选用的是ADI公司的6自由度完整惯性测量单元ADISl6365；其内置一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计和内部温度传感器。
5.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述电子罗盘模块(10)采用的是平面电子罗盘，内部含有x轴和Y轴方向上的磁阻传感器、模/数转换电路和相应的微处理器。
6.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述GNSS模块(11)中，用于确定移动机器人绝对位置的定位传感器是北斗/GPS双系统定位接收机UM220模块。
7.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述里程计模块(12)的内部选用的是Faulhaber2342L增量式光电编码器。
8.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述电源控制模块(1)包括四部分：工控机电源、嵌入式系统板电源、电机驱动板电源和显示器电源。
9.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述驱动模块(6)选用Sabertooth2x12电机驱动板。
10.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的机器人定位系统，其特征在于：所述无线连接模块(7)通过Zigbee模块完成的，该模块在室内或者遮挡条件下传输距离为100m。
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