一种移动机器人组合惯性导航系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术系统设计简单、成本低、适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种移动机器人组合惯性导航系统及方法
本专利技术涉及一种导航系统，具体说是一种移动机器人组合惯性导航系统及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对地面移动机器人不间断精确导航的问题，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，仿步态机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。本专利技术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，并计算加速度的方差和陀螺仪的幅值，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，然后通过第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，ax(k)2、ay(k)2、ay(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)|≤Tmax时，认为仿步态结构相对于地面静止；其中，Tmax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|ωy(k)|≤Tω时，认为仿步态结构相对于地面静止；其中，|ωy(k)|表示k时刻横向陀螺仪输出的绝对值，Tω为角速度阈值。相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：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。本专利技术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专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1是本专利技术三个惯性导航器件之间的关系。图2是本专利技术从动仿步态结构原理图；图3是本专利技术侧视图；图4是本专利技术主视图；图5是本专利技术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专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。本专利技术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)。本专利技术系统需要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。本专利技术设计的从动仿步态结构，如图2所示，整个仿步态机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上下运动的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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。3.根据权利要求2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。4.根据权利要求2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。5.根据权利要求2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。6.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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪建国，刘凌，梁小明，吴神丽，
申请(专利权)人：西安文理学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61