面向智能移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)研究.pdf

1、博士學(xué)位倫文面向智能移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)研究作者:石杏喜指導(dǎo)教師:趙春霞教授南京理工大學(xué)2010年3月博士論文面向智能移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)研究摘要隨著傳感器、計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，具有思維、感知和動(dòng)作能力的地面智能移動(dòng)機(jī)器人在軍事、民用和科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。其發(fā)展對(duì)國防、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)具有重大的影響力，己成為各國高科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略性研究目標(biāo)。地面智能移動(dòng)機(jī)器人能夠成功完成任務(wù)的一個(gè)基本條件是能夠在其所處環(huán)境中進(jìn)行

2、自主導(dǎo)航，而自主導(dǎo)航就必然要求它們能夠進(jìn)行自主定位。本文主要針對(duì)面向智能移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，使地面智能移動(dòng)機(jī)器人在各種復(fù)雜環(huán)境下具有很好的自定位能力，具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:地面智能移動(dòng)機(jī)器人定位系統(tǒng)的主要功能是能夠精確地確定其在地球表面的參考位置，而坐標(biāo)系統(tǒng)是描述地面智能移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，處理觀測(cè)數(shù)據(jù)和表達(dá)其位置的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，論文首先討論了地面智能移動(dòng)機(jī)器人定位中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)，深入研究了WGS一84空間直角坐

3、標(biāo)、WGS一84大地坐標(biāo)、高斯平面直角坐標(biāo)以及機(jī)器人平面直角坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。介紹了GPS載波相位基本觀測(cè)方程，在此基礎(chǔ)上推算了載波相位雙差GPS的坐標(biāo)解算模型。為了保證差分GPS技術(shù)在大區(qū)域范圍內(nèi)的定位精度，研究了基于虛擬參考站(VRS)的差分GPS技術(shù)，詳細(xì)推算了虛擬參考站上的雙差觀測(cè)值和單差觀測(cè)值的生成算法。針對(duì)基于差分GPSDR的組合定位問題，提出了一種尺度無色變換擴(kuò)展卡爾曼濾波(SUTE燈)算法，由于差分GPSDR組合定

4、位系統(tǒng)中的狀態(tài)方程是非線性的，并且觀測(cè)方程是線性的特點(diǎn)，將SUT預(yù)測(cè)移動(dòng)機(jī)器人位姿，利用EKF融合最新觀測(cè)值更新機(jī)器人位姿，該算法在狀態(tài)預(yù)測(cè)階段避免了計(jì)算Jacobian矩陣，從而有效地減小了線性化對(duì)非線性系統(tǒng)誤差的影響。提出了一種基于尺度無色變換和迭代擴(kuò)展卡爾曼濾波(SUTIEKF)的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(SLAM)算法。由于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)對(duì)機(jī)器人的定位精度起著至關(guān)重要的作用，尤其是基于EKF的SLAM算法對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)非常敏感，一種基于多

5、算法匹配(MAM)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法被提出，該算法利用粒子采樣技術(shù)，將移動(dòng)機(jī)器人位姿和特征地圖位置聯(lián)合概率分布以多個(gè)等權(quán)的粒子表示，各粒子進(jìn)行獨(dú)立的同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建，在相同觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用不同的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法，將會(huì)得到不同的關(guān)聯(lián)集合，最后計(jì)算各關(guān)聯(lián)集合的交集并作為這一觀測(cè)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果。研究了一種混合濾波的SLAM算法，并利用統(tǒng)計(jì)理論對(duì)其進(jìn)行一致性評(píng)估，該算法框架利用粒子濾波技術(shù)將機(jī)器人SLAM中的聯(lián)合后驗(yàn)概率分布因式分解為機(jī)器人路徑