[实用新型]机器人自主定位系统

说明书

技术领域

本实用新型属于机器人智能控制装置，具体涉及一种基于惯性传感器和三维数字罗盘的组合自主定位系统，用于煤矿、隧道等地下环境智能机器人的自主定位。

背景技术

机器人定位技术是用于确定机器人在环境中的实时位姿、引导机器人到达目标点的关键技术。在实际工作中，当机器人要自主实现某一预期功能时，首要的是要对自身位姿进行实时监测，然后才能根据当前和预期位姿之间的差异来规划机器人下一步的运动轨迹，并实时更新自己的位姿。

机器人的定位技术经历了由单定位方式向组合定位方式转化的过程。当前应用较多的定位方式有GPS、图像匹配、惯导等，这些方式各有所长。自主性和定位精度一直是评价定位系统的两个重要指标，目前还没有一种定位方式能同时具有这两个优点。整合多种定位的优势，设计新型组合定位系统是提高定位自主性和精度的主要途径。

智能机器人应用已经从传统的工业应用向矿井地图绘制、地下隧道测量与施工、人员救援探测和定位等领域扩展，对定位系统提出了更高要求，如自主性，实时性等。现有的定位理论和技术在人工环境下能提供可靠而准确的机器人位姿信息，但对于存在大量未知信息的地下环境，现有定位方法存在很多局限性，甚至无法工作。

地下环境作业智能机器人对其定位系统的自主性提出了明确要求。在地下非结构化环境中，无法接收到GPS信号，只能利用机器人自身内部传感器来获取运动状态，再通过数据处理获取自身位姿。惯性传感器不需要环境信息即可感知、测量机器人运动参数，完全自主、可全天候工作、更新速度快、瞬时精度高。但是，惯性传感器存在误差随时间积累快、使用前需初始对准的缺点，这限制了惯性传感器在需要长时间高精度定位场合的应用。三维数字罗盘是一种根据地球磁场测量机器人三维姿态的传感器，但它不能提供机器人运动加速度信息、信号输出频率低、容易受环境干扰磁场影响，这些致命的缺点限制了三维数字罗盘的广泛应用。

为解决机器人的高精度自主定位问题，传统上主要采用惯导与GPS结合的定位方法。这种方法具有自主性强、定位精度高的特点。在实际使用中，当GPS信号有效时，其定位效果良好。然而，在无GPS信号的环境中，利用惯导虽然能实现自主定位，但其定位误差会随时间急剧累积。图像匹配方法也是智能机器人定位中常用的方法，但这种方式需要预先存储匹配图像或地图，然后才能通过图像匹配来确定机器人当前位置。这些定位方式不适用于在地下非结构化环境内工作的机器人定位。因此，研制针对地下环境的机器人自主定位系统是当前研究的一个难点问题，也是智能机器人技术的一个重要发展方向。

自主定位技术是智能机器人能否顺利完成预期任务需具备关键核心技术之一，现有的定位技术存在自主性和精度之间的矛盾，不能满足地下环境作业要求。因此，针对地下环境的特点，结合智能控制和机器人技术发展的最新进展，研制具有自主性的定位系统是机器人定位导航技术发展的一个重要方向，也是提高机器人智能水平的一个重要手段。

发明内容

本实用新型提供一种机器人自主定位系统，解决机器人在地下环境作业的高精度自主定位问题。

本实用新型的一种机器人自主定位系统，包括安装平台、设置于安装平台上的传感器子系统、数据处理子系统以及电压转换模块，安装平台同时为传感器子系统标定提供所需的采样点；传感器子系统实时感测机器人运动状态信息，经数据处理子系统进行去噪、滤波、融合和计算，得出机器人的位姿和速度信息；电压转换模块将车载直流电源转换为所需的工作电压；其特征在于：

所述安装平台上部为承载传感器子系统的转台，转台运动范围为±360°，由电机驱动模块驱动，运动误差控制在±0.1°以内；安装平台下部的固定基座为密封腔式结构，内部安装数据处理子系统和电机驱动模块；

所述安装平台具有锁紧装置，锁紧装置的一端与转台底部固定连接，锁紧装置另一端通过可分离螺杆与安装平台下部的固定基座锁紧；在安装平台上转台需要运动时，螺杆与安装平台下部固定基座分离，转台旋转，传感器子系统标定结束后，螺杆与安装平台下部固定基座锁紧；

所述传感器子系统包括惯性传感器模块和三维数字罗盘，惯性传感器模块由三维加速度计及固联在其三个敏感轴上相互正交的光纤陀螺仪组成，测量惯性传感器模块参考坐标系相对于地球惯性坐标系运动角速度和加速度；三维数字罗盘测量三维数字罗盘参考坐标系相对地理坐标系的三维姿态；