基于多傳感器信息融合的機(jī)器人姿態(tài)測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、在機(jī)器人導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng)控制中，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是不可缺少的重要步驟之一，尤其在自平衡移動(dòng)機(jī)器人的平穩(wěn)姿態(tài)控制中更為關(guān)鍵。自平衡移動(dòng)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜動(dòng)作以及定向移動(dòng)時(shí)需要時(shí)刻感知航向(yaw)、俯仰(pitch)以及滾轉(zhuǎn)(roll)三個(gè)自由度的變化，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整好自身的空間姿態(tài)，從而保持平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，因此研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)有著十分重要的意義。
　　首先本文采用低成本MEMS傳感器件設(shè)計(jì)一種基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的機(jī)器人姿態(tài)

2、測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集與處理、MEMS傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電壓轉(zhuǎn)換以及串口通信五個(gè)功能模塊組成;而軟件部分主要包括系統(tǒng)硬件底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)。在姿態(tài)測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)主控制器STM32F405RG通過(guò)SPI總線采集慣性測(cè)量單元MPU6000的角速率和加速度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)IIC總線采集數(shù)字羅盤(pán)HMC5883L的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后利用數(shù)據(jù)融合算法解算出機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)，并且通過(guò)串口將更新的姿態(tài)發(fā)送至PC端實(shí)時(shí)顯示。

3、　　對(duì)于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)更新，本文提出了兩種基于四元數(shù)姿態(tài)的數(shù)據(jù)融合算法:梯度下降和互補(bǔ)濾波，并且在自行設(shè)計(jì)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證與對(duì)比。由于陀螺儀側(cè)重于動(dòng)態(tài)性能，而加速度計(jì)與數(shù)字羅盤(pán)則更側(cè)重于靜態(tài)性能，因此數(shù)據(jù)融合算法的總體設(shè)計(jì)思路均為:對(duì)陀螺儀的角速率進(jìn)行高速積分，同時(shí)將加速度計(jì)的重力場(chǎng)數(shù)據(jù)和數(shù)字羅盤(pán)的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與角速率積分結(jié)果進(jìn)行低速融合，從而不僅糾正了陀螺儀的漂移誤差，還實(shí)現(xiàn)了三種傳感器在組合應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
　　為了彌補(bǔ)