移动机器人是一个技术综合体,其中最基本的是机器人自动导航技术。而在导航问题中,如何实现机器人的高精度定位具有重大意义。对于室内移动机器人的定位方案,如何兼顾大范围、厘米级、可拓展、低成本等特点是一大难题。本文面向室内移动机器人定位这一问题,以基于融合红外与超声波信息为基础的标定/定位框架作为主要研究目标,开展ZigBee通信技术,超声波测距原理,红外时钟同步技术,多线激光雷达SLAM,后端非线性优化等方法的研究,创新地设计并实现了一套主要基于红外与超声波融合的软硬件定位方案,并在实验室内布置了本定位系统,对本定位系统进行了实际的技术验证。本文的主要研究内容与成果包括:1.设计了多传感器融合的室内定位框架,设计并制作了相关硬件单元,解决了实现厘米级定位所需的高昂成本问题。在框架设计上,本文将分为标定方案与定位方案。在标定方案中通过不计成本的方式获得标定单元精确地位姿估计,用于来精确标定环境中部署的廉价传感器。在定位方案中,仅通过自主设计的廉价传感器来实现等效于激光SLAM的定位精度。在硬件设计方面,本文基于红外信号模型、超声波传播模型、ZigBee组网模型,设计制作了三种不同的硬件模块,并基于STM32单片机,编写相关代码,高效地实现了对定位数据的生成、采集、测算。同时对原创布局走线的超声波硬件单元进行了距离、频率、角度等测试,以验证传感器的稳定性,为后续开展高精度标定和定位奠定基础。2.提出了室内定位基站单元的标定方案,将高昂的成本集中在本标定方案中,解决了对大范围环境中基站单元全局位姿标定的问题。在环境中部署多个基站单元后,使用价格昂贵的激光雷达,基于激光SLAM(SimultaneousLocalization andMapping)算法输出标定单元的全局位姿,同时记录基站单元采集到标定单元发送的超声波距离数据。最后通过现有的非线性优化的方法,求解出环境中部署的各个基站单元全局位置,并实际验证方案的可行性,为后续廉价且高精度地实现定位做准备。3.提出了基于多传感融合的室内机器人级定位方案,以最小的成本实现了厘米级定位,解决了大范围环境中对定位单元实现厘米级定位的问题。定位单元在标定单元所覆盖的范围中运动时,标定单元可融合红外信息与超声波信息测量计算距离定位单元的长度信息,再基于基站单元的已知位置,通过非线性优化方法实现了对定位单元的定位输出。上述方案旨在将定位所需的高昂成本转移到标定阶段,在定位阶段只需使用本文提出设计的廉价传感器即可实现20Hz,10cm级别的定位信息输出。对于实际工程应用,在标定阶段,价格上万的标定单元由施工人员操作标定,可多项目重复使用,定位阶段所需成本由使用者承担,且单个损坏可替换成本可控制在50元以内,具有较大的工程价值。