本发明专利技术公开了一种室内自主定位与定向的二维导航系统，该二维导航系统由MEMS陀螺传感器、DSP数字信号处理器、数字舵机和超声波收发器等部件组成。本发明专利技术的二维导航系统安装在运动载体上，DSP数字信号处理器一方面处理MEMS陀螺传感器的测量数据，获得运动载体相对于其初始位置的偏转角度。另一方面通过调节数字舵机摇臂的偏转角度，对分布在载体两侧、固联在舵机摇臂上的超声波收发器的对准方位实施可控调节，实现扫描测距和定向测距两种测距模式，测得载体到障碍面的垂直距离；并利用收到回波时处理器内控制数字舵机偏转角度的变量换算出此时对应的测距指向角度；最后根据位置更新矩阵更新当前载体相对于其初始位置的位置坐标，完成对运动载体的一次局部自主定位与定向。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种对运动载体进行室内自主定位与定向的二维导航系统。
技术介绍
对运动载体的定位包括室外环境的定位和室内环境的定位。目前主要针对室外环境进行定位的系统有采用蜂窝网络技术定位的系统和GPS全球定位系统。GPS全球定位系统目前能提供的室外定位精度约为:3m 5m，蜂窝网络定位系统的精度远差于此。这些定位系统受到建筑物对信号的遮挡、反射和衍射等影响，在室内环境下使用往往存在更大的定位误差，不能满足用户对室内定位的精度需求。室内定位系统与室外定位系统不同，用户更关心的是自己在室内平面的二维坐标和运动的航向信息。由于室内环境相对较小，用户对定位精度的要求也比室外环境更高。 目前，室内定位技术在室内移动探测器、救灾机器人车、仓库搬运机器人车的跟踪和运动导航，以及汽车防撞检测、自动泊车等领域有广泛的应用需求。根据导航定位使用的设备仪器不同，目前室内定位的方式主要有电磁导航、无线电导航、无线网络导航、激光导航、视觉导航、超声波导航和多种传感器融合导航等。这些导航方式主要的优缺点对比如下电磁导航是让低频电流流过埋设在路径下的电缆，然后用安装在机器人上的线圈检测电缆周围产生的磁场，并根据该信息计算位置，并控制方向，以实现沿规定路径的导航控制。主要优点是导引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单，便于控制和通信，对声光无干扰；缺点是灵活性差，改变或扩充路径麻烦，对导引线附近的铁磁物质有干扰，电缆铺设工作量大，维护困难。无线电导航是通过利用移动通信网络来实施定位导航的。具体有利用基站发射信号的到达时间差技术(TDOA)、信号到达角技术(AOA)和信号衰减技术来确定用户与基站之间的距离，利用球面三角算出移动终端的位置。主要优点是可以利用现有的移动通信网络的基站和用户手持设备完成定位服务，无需额外开发新的设备；缺点是信号受建筑物和周围环境的影响，定位精度不高，一般在50米以上，通常只用于粗定位。无线网络导航技术，利用Wi-Fi、蓝牙(Bluetooth)等室内无线网络，通过用户设备接收到的室内无线信号的强弱(received signal strength, RSS)测定信号点与接收点的距离，进而进行定位计算的一种定位技术。无线网络目前已经开始广泛普及，尤其是在医院、学校、办公大楼等地区，使其用于室内定位成为可能，并且实施成本并不高。但是这种定位方式需要首先为使用环境建立一个精确的无线网络传播模型，当室内环境改变时，会影响无线信号强度的发布，需要重新修改模型；目前单独是使用无线网络实施室内定位的精度最高只能达到米级。激光导航的一种方案是用一个指向标发出旋转扫描激光光束，再利用运动载体上的若干个传感器来检测，从而求出指向标的方向和到指向标的距离，用以确定运动载体的位置；另外还有和导向电缆方式类似的采用激光导引运动载体的方法。激光导航的优点是传感器发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现象；缺点是存在潜在的安全问题(首先是人眼安全问题)，且不适用于透明物质。视觉导航成为近几年室内导航研究的热点，运动载体利用视觉传感器获取的信息进行定位，从而实现智能行驶。视觉导航中一般使用的方法如基于像素匹配的方法识别特征点、基于光流场分析的方法估计环境结构等等。视觉导航方法的优点是获取信息量大，灵敏度高，成本低，并且可根据需要灵活地改变或扩充路径，具有很好的柔性；缺点是对环境光线有一定要求，并且由于计算复杂对导航的实时性有一定影响。超声波测距作为一种常用的非接触式测距方式，长期以来一直是室内导航定位研究的热点。常用的超声波定位方法有反射式和超声信标式。反射式将超声发射和接收做为一体，使用超声波收发器发出和接收信号，完成距离的测量。在目前的应用中，主要采用超声波收发器与载体固定连接的方法。这种方法最主要的缺点是只能获得超声波收发器到与之垂直的障碍面的距离，测量角度范围小(一般士5° )且难以控制，当载体姿态发生改变导致与之固联的超声波收发器的测量角度范围离开了障碍面时，将不能收到回波，无法完成测量。超声信标式，如L. Kleeman使用主动超声作为信标，在运动载体身上装有超声波接收器，测得运动载体和信标的距离及方位从而估计运动载体的位姿。这种方法扩大了超声波定位的使用范围，但需在室内预先铺设很多的超声波信标，且超声波接收器很难区分不同信标发出的信号。综合上述两种方法，超声波导航的优点是硬件结构简单，价格低廉，容易操作；缺点是速度慢，传感器存在较大的波束角(角度分辨率低)，单一传感器的稳定性不理想等。 在实际应用中，往往采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技术提高检测精度等。多传感器融合导航组合了多种导航方式。已有的室内多传感器融合导航系统往往融合了无线网络导航、激光导航、超声波导航等，如AT&T Lab Cambridge的Active badge 和Bat室内定位系统，MIT的Cricket系统。多传感器融合导航系统弥补了的单一传感器的许多固有缺点，提高了定位精度，但是系统复杂程度增加，运行和维护成本更高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种室内自主定位与定向的二维导航系统，该二维导航系统能够获取运动载体相对于其初始位置的偏转角度(定向)和位置坐标(定位)，满足在相对简洁的室内使用环境下对运动载体实施自主定位与定向的需求。在本专利技术中二维导航系统由MEMS陀螺传感器、DSP数字信号处理器、数字舵机和超声波收发器等部件组成。本专利技术的二维导航系统安装在运动载体上，一方面DSP数字信号处理器处理MEMS陀螺传感器的测量数据，获得运动载体相对于其初始位置的偏转角度 (即航向信息)；另一方面DSP数字信号处理器通过调节数字舵机摇臂的偏转角度(即扫描角度)，对载体两侧固联在舵机摇臂上的超声波收发器的对准方位实施可控调节，实现扫描测距和定向测距两种测距模式，测得载体到障碍面的垂直距离，并利用收到回波时处理器内控制数字舵机偏转角度的变量换算出此时对应的测距指向角度；最后根据位置更新矩阵更新当前载体相对于其初始位置的位置坐标，对运动载体实施室内自主定位与定向，具有实用意义。本专利技术的一种室内自主定位与定向的二维导航系统，该二维导航系统包括有DSP数字信号处理器(1)、MEMS陀螺传感器( 、转向舵机C3)、左超声波收发器(4)、右超声波收发器(7)、左扫描舵机( 和右扫描舵机(6)；其中左扫描舵机( 包括有左舵机本体 (5A)、左舵机摇臂(5B)和左舵机转轴(5C)；左舵机摇臂(5B)为T形摇臂，左舵机摇臂(5B) 的一端绕左舵机转轴(5C)旋转，左舵机摇臂(5B)安装在左舵机本体(5A)上；其中右扫描舵机(6)包括有右舵机本体(6A)、右舵机摇臂(6B)和右舵机转轴(6C)；右舵机摇臂(6B) 为T形摇臂，右舵机摇臂(6B)的一端绕右舵机转轴(6C)旋转，右舵机摇臂(6B)安装在右舵机本体(6A)上；所述的DSP数字信号处理器(1)安装在运动载体(10)上；所述的MEMS陀螺传感器(2)安装在运动载体(10)上，且安装方位需要保证MEMS 陀螺传感器O)的三轴与运动载体(10)的坐标系0b-、yb、的三轴分别重合；MEMS陀螺传感器⑵用于测量运动载体(10)在运动状态下的三轴角速率信息F21(cobx，coby，cobz)，co本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈培，舒磊正，刘创，韩潮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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