[发明专利]一种基于MEMS IMU的低成本里程计设计方法

权利要求书

1.一种基于MEMS IMU的低成本里程计设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将IMU安装在车轮侧面，使IMU随着车轮转动，测量车轮相对于惯性系的非引力加速度和角速度；

步骤2：针对安装在车轮上的IMU，同时考虑车辆的运动约束，建立IMU的输出模型；

步骤3：以车轮旋转角度、角速度、角加速度为状态量，基于状态之间的约束关系建立卡尔曼滤波的系统模型，基于IMU的输出模型建立观测模型；

步骤4：基于人工神经网络的速度、里程计算与参数的更新。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS IMU的低成本里程计设计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

将一个包含三轴加速度计和三轴陀螺仪的MEMS级IMU传感器安装在车辆或轮式机器人的后轮轮子侧面，以IMU为原点建立传感器坐标系s-x^sy^sz^s，使y^s轴负向指向轮心，x^s轴垂直于轮胎侧面向外，y^s轴、z^s轴位于车轮旋转平面内。建立载体坐标系b-x^by^bz^b系，使x^b轴与x^s轴重合，y^b轴指向车辆前方，z^b轴垂直于x^b轴和y^b轴向上；当车轮开始转动，s系绕x^s轴旋转，重力加速度将以正弦形式周期地投影到y^s轴、z^s轴上，其频率等于车轮旋转角速度，同时y^s轴上将会附加由于车轮旋转产生的离心加速度，大小是车轮旋转角速度的平方与IMU距车轮轮心距离的乘积，车轮的旋转速度也将在陀螺仪的x轴上投影。

3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS IMU的低成本里程计设计方法，其特征在于，还包括：通过调节IMU到轮心的距离，避免由于向心加速度使实际加速度超过加速度计输出的上限；所述传感器安装在车轮上不断旋转，传感器集成无线通信装置，包括蓝牙、WIFI与车辆上的控制系统进行信息交互。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS IMU的低成本里程计设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

加速度计输出用重力加速度、车轮旋转产生的向心加速度与车辆相对地面的加速度之和来表示，以当地水平坐标系作为导航坐标系n系；记：

则重力加速度在传感器坐标系的投影为：

式中g为当地重力加速度，θ为IMU相对于起始位置逆时针旋转角度，表示b系到s系的旋转矩阵，为n系到b系的旋转矩阵，R_ij为中的元素；i＝1，2，3；j＝1，2，3；

车轮旋转产生的向心加速度投影在y^s轴负方向，表示为：r为IMU距轮心的距离，为θ的一阶导数，即车轮旋转的角速度；

车辆加速度在b系下表示为考虑到车辆的运动约束，横向和天向加速度为零即：

在纵轴方向的车辆加速度用车轮旋转角加速度乘以车轮半径表示：

R为车轮半径，为θ的二阶导数，即车轮旋转的角加速度；

所以车辆相对地面的加速度在b系下为投影到传感器坐标系为：

故IMU中的加速度计的输出与θ的关系为：

忽略地球自转，陀螺仪x^s轴的输出约等于车轮相对载体旋转的角速度：