【摘 要】
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因具有可全天候、可在恶劣环境下运行等优点,安防机器人被越来越多地用来执行公共场所的巡逻安保任务。在执行任务时,安防机器人首先要解决定位问题。目前的定位方法存在成本较高、硬件要求较高、在室内精度较差等不足。为解决以上问题,进行面向室内环境的安防机器人定位方法研究,提出基于多传感器融合的定位方法,提高定位精度与效率;进行安防定位实验平台设计,进行融合定位实验,验证定位方法。首先,研究国内外安防机器人的
【基金项目】
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山东省重点研发计划项目(重大科技创新工程):面向开阔环境巡检的智能安防机器人关键技术研究及应用示范(2019JZZY010112); 山东省科学技术厅XX项目(2020JMRH0202);
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因具有可全天候、可在恶劣环境下运行等优点,安防机器人被越来越多地用来执行公共场所的巡逻安保任务。在执行任务时,安防机器人首先要解决定位问题。目前的定位方法存在成本较高、硬件要求较高、在室内精度较差等不足。为解决以上问题,进行面向室内环境的安防机器人定位方法研究,提出基于多传感器融合的定位方法,提高定位精度与效率;进行安防定位实验平台设计,进行融合定位实验,验证定位方法。首先,研究国内外安防机器人的特点与定位方法,确定通过改进定位方法降低成本提高效率。研究现有定位方法,包括单一定位方法与融合定位方法,确定将捷联惯导、轮式里程计与超宽带(UWB)融合定位作为安防机器人的定位方法进行研究。其次,进行UWB定位研究。通过误差分析与定位需求分析,分别选择双边双向测距(DS-TWR)与到达时间定位(TOA)作为测距方法与定位方法。建立UWB定位数学模型,研究基站数目、环境噪声与加权算法对定位精度的影响,最终选择四基站加权定位作为UWB定位方法。设计UWB定位平台,包括运动平台与DWM1000测试模块,进行双向测距(TWR)校正与UWB定位实验,最终得到UWB定位误差为0.306m,加权后定位误差为0.265m,对比加权前误差减小了 13.36%。随后,进行航位推算定位研究,包括捷联惯导定位与轮式里程计定位。通过定义坐标系、坐标系转换与二轮差速模型确定航位推算定位方法。建立航位推算定位数学模型,分别进行捷联惯导与轮式里程计定位仿真,得到仿真结果作为融合方法的研究基础。进行航位推算定位平台设计,分别采集捷联惯导与轮式里程计数据,通过解算得到航位推算定位结果。然后,进行融合方法研究。进行贝叶斯滤波与粒子滤波的研究,确定采用粒子滤波进行融合定位。建立粒子滤波算法模型,结合UWB定位模型与航位推算定位模型进行融合定位仿真。得到定位误差为0.080m,比单一 UWB定位降低了68.25%。针对粒子滤波中的重要性采样与重采样过程进行研究与改进,提高定位的效率,其中重要性采样过程时间对比优化前减少了 93.75%,低方差重采样对比多项式重采样运行时间减少了 86.15%。最后,进行融合定位实验。设计安防机器人融合定位平台,采集捷联惯导、轮式里程计、UWB的定位信息,上传至上位机。进行定位实验,分别验证融合定位方法与改进粒子滤波定位方法的定位效果。其中,融合定位方法的平均定位误差为0.176m,与单一 UWB相比降低了 23.14%。多项式重采样、残差重采样、分层重采样、低方差重采样的平均定位误差分别为0.176m、0.170m、0.133m、0.138m,与单一 UWB 定位相比分别降低了 23.14%、25.76%、41.92%、39.74%。
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