基于陀螺仪的机器人自主运动定位研究-信息与通信工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 Classified Index: TN242.6 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE RESEARCH ON AUTONOMOUS MONTION POSITIONNG FOR ROBOTS BASED ON GYROSCOPE Candidate： Han Xiao Supervisor： Prof. Zhang Qinyu Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Information and Communication Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate School Date of Defence： November, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 自主移动智能机器人在军用和民用上的应用越来越广泛，而不论实现什 么样的功能，能够准确到达目的地都是完成目标的基础，因此对于机器人自 主运动规划的要求也就越来越高。本文研究的是机器人运动规划中的关键技 术—定位，即实时确定机器人相对于运动起点和运动目标的位置，为下一步 运动规划奠定基础。 本文设计的机器人定位系统分为四个部分，定位数据获取、定位信息解 算、定位信息误差消除和运动轨迹模拟。首先通过以 MPU-6050 为主芯片的 陀螺仪运动传感器实 时采集机器人的运动 数据：三轴加速度和 三轴角速度 , 获得定位数据；然后采用四元数解算法，将三轴角速度转化为机器人运动姿 态角，得到我们想要的定位信息；由于受到各种外界因素的影响，定位信息 存在不可避免的随机漂移误差，将得到的机器人运动规划数据，通过扩展卡 尔曼滤波理论进行最优估计数据处理，将误差对路径规划的影响降到最小。 本文用上述方法对机 器人匀速直线运动和 匀速圆周运动所采 集 到 的 定 位数据进行解算和降噪的 处理，再以处理过的数据为基础，模拟机器人运动 轨迹。本文创新性的提出了利用陀螺仪采集到的三轴角速度和三轴加速度模 拟机器人运动轨迹的算法，机器人分别进行两种运动，将采集到的定位数据 转换为运动参考坐标系的坐标值，利用坐标值绘制机器人运动轨迹，对比利 用有误差的数据和经过扩展卡尔曼滤波后数据分别模拟的机器人运动轨迹， 可以看出滤波之后的效果接近于理想轨迹，证明了本文所设计的定位系统可 以实时确定和预测机器人的运动轨迹，并将误差限制在可控的范围内。 关键词：运动规划；定位；陀螺仪；四元数；扩 展卡尔曼滤波器 - I - Abstract Autonomous mobile robot is more and more widely applied in military and civilian, regardless of what kind of functions, accurating to arrive destination is the basis of achieving goals so for a robot autonomous motion planning in a complex environment put forward higher requirements.This paper studies the key technologies of the robot motion planning- positioning,which is determined the relative position of the robot with the starting point and moving objects in real time and lay the foundation for the next motion planning. The robot positioning system designed by this paper is divided into four steps:positioning data acquisition,positioning information decoding, positioning error elimination and trajectory simulation.First, the motion sensor based on the MPU-6050 chip real-time acqu