[发明专利]一种针对四轮机器人的转动瞬心估计方法

说明书

本发明公开了一种针对四轮机器人的转动瞬心估计方法，通过引入最优估计理论与地形检测算法，能够获取机器人的转动瞬心的估计值。该方法包括初始化步骤、采集传感器数据步骤、地形检测步骤、调整过程噪声方差步骤、状态预测步骤、状态更新步骤、以及输出转动瞬心的估计值的步骤。本发明优点如下：1)针对运动学方程是非线性而观测方程是线性的情况，在状态预测过程中引入无色变换，以保证在强非线性情况下的状态预测的准确性；2)引入新息协方差估计器；3)由于引入了地形检测，在地形发生明显变化的时候，本发明会调整转动瞬心的过程噪声方差，这种自适应机制能够保证转动瞬心估计的平稳性，同时缩减收敛时间，适用于地形复杂的场景。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种针对四轮机器人的转动瞬心估计方法。

背景技术

四轮机器人是一种常见的野外机器人，它可以通过改变左右轮子的速度来控制机器人的方向，具有很好的鲁棒性和灵活性，并且能够实现零半径转向。但是，四轮机器人在移动过程中不可避免的出现打滑现象，这就导致运动学模型的不准确性。

在论文“Mandow A,Morales J,Pedraza S.Approximating Kinematics forTracked Mobile Robots[J].International Journal of Robotics Research,2005,24(10):867-878.”中，作者首次提出了转动瞬心运动学模型，做法是将左右轮子与机器人本体的转动瞬心的位置坐标引入到传统的运动学模型中，以提升运动学模型在存在打滑现象的准确度。

转动瞬心本身可以看作对四轮机器人打滑现象的一种描述方式，而且转动瞬心往往随着地形的变化而变化。因此，如何实时的获取四轮机器人的转动瞬心成为了野外机器人领域中一项重要且具有挑战性的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对四轮机器人的转动瞬心估计方法，以实时获取四轮机器人的转动瞬心。

为此，本发明提供了一种针对四轮机器人的转动瞬心估计方法，包括以下步骤：

步骤一：对采样点序号k、后验状态估计后验误差协方差P_k、新息协方差ε_k、地形特征向量p_k、过程噪声和观测噪声的方差Q_k和R_k、采样间隔T以及车身宽度B进行初始化，其中，后验状态估计中的与分别表示东向坐标、北向坐标与航向角的后验状态估计，与为转动瞬心的3个运动学参数的后验状态估计；

步骤二：将采样点序号自增k←k+1，采集加速度计关于垂直于地面轴向的加速度数据，在一个采样周期内按照相等时间间隔采集N次，得到加速度数据集合{a_k,i},i＝1,…,N；利用朝向地面的摄像头拍摄地面照片，得到像素矩阵M_k；采集左右轮编码器数据，获得左右车轮的旋转速度v_L,k与v_R,k；采集电子罗盘数据与GPS模块，获得观测向量z_k＝[z_e,k z_n,kz_θ,k]′，其中z_e,k与z_n,k为东向坐标与北向坐标的观测值，由GPS模块采集获得，z_θ,k为航向角的观测值，由电子罗盘采集获得；

步骤三：根据步骤一中获得的地形特征向量以及步骤二中获得的加速度数据集合和地面照片像素矩阵进行地形检测，判断地形是否发生显著变化；

步骤四：若判定地形发生显著变化，在接下来五个采样点内将转动瞬心的过程噪声方差，乘以设定倍数；若地形没有发生变化，则保持原来的方差；