[发明专利]基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统及方法

说明书

本发明公开一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统，包括可移动机器人，所述机器人上设置有依次相连接的传感器模块、传感器控制模块和上位机；所述机器人移动时，所述传感器模块会实时产生三轴加速度值、三轴角速度值以及三轴磁场强度值，所述传感器控制模块用于对所述传感器模块进行运行控制以及数据的收发工作，所述上位机用于对所获取的数据进行处理，以对所述机器人的移动轨迹进行跟踪。本发明不依赖于GPS信号，受环境因素影响小，可用于没有GPS信号环境下的机器人室内移动轨迹的跟踪与定位，并且具有较高的精度和实用价值。本发明还公开一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统的跟踪方法。

技术领域

本发明涉及一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统及跟踪方法。

背景技术

正常的室外环境下，移动机器人上集成GPS传感器可以对设备所在位置进行定位，但在信号较弱的室内环境或没有GPS信号的情况下，其定位效果不理想或者失效。使用三轴加速度计和三轴陀螺仪组合的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)来进行室内定位虽可以实现对机器人轨迹的跟踪，但受到漂移和噪声的影响，其轨迹误差随着时间增长发散严重，导致重建后的轨迹与实际机器人移动轨迹偏离严重、精度低。

为了降低IMU的误差，目前常用的方法有使用激光雷达设备来辅助IMU进行室内定位与导航或者使用视觉传感器和IMU相结合等来进行导航和定位。这些方法虽然对定位的精度有所提高，但都需要提供外部环境的信息，在很多情况下，由于设备不足导致这些信息无法获得，并且这些设备的价格都比较昂贵，因此极大的限制了这些方法的应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决GPS导航技术在室内失效的情况，满足机器人室内运动轨迹跟踪的精确度，提供一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统及跟踪方法。

本发明采用由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成的九轴惯性传感器作为惯性传感器模块。引入基于四元数的坐标系旋转关系描述方法，使用三轴加速度计和三轴磁力计的输出值来修正三轴陀螺仪的输出值，以获得精确的旋转关系。对获取的三轴加速度值进行坐标系转换以及去除重力处理，将处理后的三轴加速度值进行积分运算可获得机器人移动过程中的速度信息。采用一种静止时期(即零速点)判断方法，用于检测出机器人移动过程中的静止时期，结合判断出的静止时期对速度进行修正，对修正后的速度再次进行积分运算则可获得机器人移动过程中的位移信息。并且可以使用数据处理软件对获取的位移信息进行3D图像绘制，具有较好的可视化效果。

为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统，包括可移动机器人，所述机器人上设置有依次相连接的传感器模块、传感器控制模块和上位机；所述机器人移动时，所述传感器模块会实时产生三轴加速度值、三轴角速度值以及三轴磁场强度值，所述传感器控制模块与传感器模块相连接，用于对所述传感器模块进行运行控制以及数据的收发工作，所述上位机与传感器控制模块相连接，用于对所获取的数据进行处理，以对所述机器人的移动轨迹进行跟踪。

所述传感器模块为整合了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的九轴惯性传感器，或整合三轴加速度、三轴陀螺仪的六轴惯性传感器加上一个单独的三轴磁力计以组成九轴惯性传感器，或使用单独封装的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，将它们的数据进行组合处理以达到九轴惯性传感器效果的传感器。

所述传感器控制模块为ARM处理器、单片机或微处理器。

所述机器人为可移动机器人，可将传感器模块、传感器控制模块以及上位机固定在机器人上，用于采集机器人移动过程中产生的数据并进行处理。

为了实现上述的目的，本发明采用如下另一技术方案予以实现。

一种基于九轴惯性传感器的机器人室内轨迹跟踪系统的跟踪方法，其步骤是：