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移動(dòng)機(jī)器人在軍事，工業(yè)，農(nóng)業(yè)，商業(yè)，運(yùn)輸和物流領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。移動(dòng)機(jī)器人的核心問(wèn)題在于移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力?；贛EMS傳感器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是近年來(lái)慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，也是未來(lái)的主要研究方向之一。

針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的定位，采用了磁力計(jì)輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)由三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)組成。用三個(gè)傳感器計(jì)算航向，補(bǔ)償速度誤差，然后計(jì)算位置。本文提出了一種用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，以提高導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證和分析具有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的濾波器與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

由于MEMS慣性傳感器的精度較低，并且存在很多隨機(jī)誤差，因此長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起誤差累積，并且由它們組成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不能長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立運(yùn)行。磁力計(jì)的特性與MEMS慣性傳感器的特性相反，后者在短時(shí)間內(nèi)不如MEMS傳感器準(zhǔn)確，但不會(huì)隨時(shí)間累積誤差。

添加磁力計(jì)以幫助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)糾正姿態(tài)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合磁力計(jì)具有體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了磁力計(jì)和IMU定位算法的研究，設(shè)計(jì)了用于移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了擴(kuò)展卡爾曼濾波器來(lái)解決更精確的位置信息。

圖2，擴(kuò)展的卡爾曼濾波過(guò)程

卡爾曼濾波一種算法，該算法使用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)在系統(tǒng)中輸入和輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)最佳估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)。觀測(cè)到的數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾影響，因此濾波過(guò)程也可以視為最佳估計(jì)。

卡爾曼濾波不要求信號(hào)和噪聲都是平穩(wěn)過(guò)程的假設(shè)。對(duì)于每個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)擾動(dòng)和觀測(cè)誤差（噪聲），只要對(duì)它們的統(tǒng)計(jì)特性做出一些適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，就會(huì)處理包含噪聲的觀測(cè)信號(hào)。從平均意義上可以找到具有最小誤差的真實(shí)信號(hào)的估計(jì)。

本文將磁力計(jì)，陀螺儀和加速度計(jì)的測(cè)量值直接集成在一起，計(jì)算出姿態(tài)角，速度和位置，并通過(guò)EKF濾波器獲得最佳解，從而獲得更精確的位置。

圖3，Arduino車                                                                                       圖4，實(shí)驗(yàn)環(huán)境        

該實(shí)驗(yàn)的載體是Arduino汽車，如圖3所示。將傳感器安裝在載體上。使用的傳感器是北微傳感研發(fā)的電子羅盤HEC395，這是一個(gè)9軸傳感器，其中包括3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)和3軸陀螺儀。輸出頻率設(shè)置為20 Hz。在本實(shí)驗(yàn)中，以GPS為標(biāo)準(zhǔn)量，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GPS輸出進(jìn)行比較。GPS提供航向，速度和位置，GPS輸出頻率為20 Hz。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖5，航向比較                                                                                   圖6，速度比較

圖5，圖6和圖7是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。 紅線是GPS提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量，藍(lán)線是擴(kuò)展卡爾曼濾波的結(jié)果。

圖7，位置比較

標(biāo)簽： 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)