[发明专利]一种面向室内移动机器人的高精度组合导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用惯性系统进行定位的技术领域，尤其涉及无GPS信号区域惯性导航系统的技术领域。

背景技术

惯性技术的民用领域主要是精密测量和定位。在GPS信号不能进入的水下、冰下、原始森林、隧道以及城市建筑物密集地区，惯性技术在精密导航、测量以及定位方面仍较GPS具有优势。此外，采用高精度的航海和航空重力仪用于陆地和海洋资源的物理勘探，以及采用惯性系统测量勘探深埋地下的各种管道的曲率半径等，都是惯性系统具有优势的应用领域。

目前国内外对惯性导航的理论研究比较多，导航方法主要通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算物体的瞬时速度和位置信息，近几年也取得了一系列好的结果，国外主要用于AGV小车，而且也有相应的产品问世，但是价格昂贵。一般用于港口物流和仓储等领域。国内这方面理论研究比较多，但真正投入使用的国产惯性导航小型机器人却很少，高校中目前有浙江大学、湖南大学、南昌大学等在进行研究。市场应用目前主要依赖进口，价格普遍较高。

申请号为201210173646.0的中国专利申请公开了一种磁导航辅助GPS/INS 组合导航定位系统及其控制方法，属于机动车辆导航定位领域。组合导航定位系统包括GPS 接收机、INS 及INS 处理单元、铺设在道路上的磁钉、车载磁传感器及中央处理模块。中央处理单元包括解码器和卡尔曼滤波模块，接收GPS 接收机、INS 处理单元和磁传感器的导航信息，通过卡尔曼滤波计算，修正INS 处理模块的参数，得到最终的组合导航信息数据。该方法有效地解决了GPS 导航系统易受环境影响以及INS 的导航定位误差随时间延续不断增大的问题，提高了导航定位精度，实现了不间断的车辆高精度导航定位功能。然而GPS不适用于室内的导航系统。

申请号为201510590866.7的中国专利申请公开了一种适合仓储AGV 的惯性导航方法，它包括如下子步骤：S1 ：导航系统搭建，S2 ：读取磁钉数据，S3 ：获取小车偏移数据，S4 ：规划路径，S5 ：获取陀螺仪角度，S6 ：角度校准，S7 ：读取RFID，S8 ：确定运行模式，S9 ：运动控制，S10 ：重复步骤S2-S9。该方法采用磁钉代替磁条和二维码，有效地节约成本的同时能解决二维码受多尘环境影响较严重的缺陷，实现无轨导航方式，该系统测量位置准确，位置精度可达±5mm，测量角度准确，角度精度为±0.1 度，其导航精度高，导航精度为±10mm，导航速度可达1m/s，有效的节约资源。然而其获取航向信息的算法比较复杂，需要导航系统占用更多的时间和资源进行计算，制约了导航速度。

申请号为201410572116.2的中国专利申请公开了一种新型叉车型AGV 小车，包括车体, 车体的前部设置有升降系统，升降系统传动连接有物料叉，其特征在于：所述车体上设置有多功能一体控制装置，所述车体的中部设置有双轮差速驱动装置，双轮差速驱动装置连接多功能一体控制装置；所述车体的四周设置有防护装置；所述车体的底部设置有自适应移动机构。该发明实现了在叉车的性能加载了AGV 的原地打转，精准控制，自动运行的特点，同时能够保证本发明转向更灵活，转弯半径变小。然而该发明需要较多的传感器同时确定航向信息，磁导航装置、惯性导航装置、激光导航装置、无发射板激光导航装置、光带导航装置，并且磁条的使用使导航精度受到了制约。

发明内容

本发明提供了一种面向室内移动机器人的高精度组合导航系统及方法，在该系统中加入自主设计的惯性导航控制算法模块，并且独创了新的航向角计算方法，其有益效果在于：1）采用信息融合的方式，利用多种传感器融合来实现惯性导航；2）自主设计惯性导航控制算法模块，总结出更简单的算法及航向角算法公式；3）导航精度高；4）不需要依赖GPS；5）适合复杂环境导航；6) 面向室内机器人领域。

本发明提供了一种面向室内移动机器人的高精度组合导航系统，包括传感器数据采集模块、微处理器和PC端以及惯性导航控制算法模块、磁钉和先验地图，所述微处理器包括数据融合模块、控制模块、无线模块，所述数据融合模块对所述传感器数据采集模块获得的信号进行数据融合，所述惯性导航控制算法模块依据数据融合得到的信息及所述磁钉的位置，结合所述先验地图经过计算确定航向信息。

优选的是，所述航向信息通过航向角算法获取，具体公式为：