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GIS管道内壁四足爬壁机器人及其航迹推算系统研究

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GIS管道内壁四足爬壁机器人及其航迹推算系统研究

作者：薛泽浩华南理工大学

学位级别：硕士

当前,变电站中的气体绝缘金属封闭开关(Gas Insulated Switchgear,GIS)设施发生故障后,检修人员往往通过内窥镜检查气室内部情况,甚至在严重的故障发生后,检修人员需要进入GIS管道内部进行探测,然而,受限于GIS管道的尺寸和复杂的内部结... 详细信息

当前,变电站中的气体绝缘金属封闭开关(Gas Insulated Switchgear,GIS)设施发生故障后,检修人员往往通过内窥镜检查气室内部情况,甚至在严重的故障发生后,检修人员需要进入GIS管道内部进行探测,然而,受限于GIS管道的尺寸和复杂的内部结构,传统的检测方法存在工作量大、检测效果差、检测效率低的问题。现阶段,多数研究所涉及的管道机器人相对于管道截面体积较大、不具备避障能力或只能在管道底面运动,不能满足具有复杂内部结构的GIS管道内部检测工作的需求。针对这一现象,本文研究了一种微型四足爬壁机器人,具备实时运动控制和航迹推算等功能,可替代手持内窥镜,实现对GIS管道的全方位自动化勘测。基于GIS管道的内部结构特点,进行了机器人整体方案研究。分析了管道四足爬壁机器人机械结构的设计需求,以壁虎为仿生对象,研制了一款基于负压吸附的微型四足爬壁机器人;机器人系统包括机载端和上位机监控端,两者之间实现无线通信;根据四足爬壁机器人控制系统的需求,对机器人的各个模块进行硬件设计,并基于Free RTOS开发了机载端的控制软件;同时,分析上位机系统框架以及任务需求,基于Delphi开发了机器人的上位机软件,实现对机器人的无线操控和监测。对机器人进行步态规划和运动控制方案设计,实现在管道内的全方位爬壁运动。基于机器人腿部运动学模型和静步态理论,规划了机器人的轴向步态、圆周步态、以及克服机器人偏航问题的航向调整步态,并提出了一种保证吸附到位的单腿运动控制策略;根据机器人步态的特点,基于有限状态机理论,实现机器人的运动控制,使得机器人能够在不同状态下任意切换,实现了在管道内的全方位爬壁运动。研究了机器人的航迹推算系统,实现在封闭管道内的相对定位。航迹推算传感器系统由一个微型、低成本的嵌入式惯性测量单元和光学导航传感器组成,结合传感器系统的测量值和机器人的运动学模型,提出了一种基于拓展卡尔曼滤波器的多传感器信息融合航迹推算算法,航迹推算算法融合了传感器系统的冗余和互补信息,计算机器人在参考坐标系上的位姿,实现了机器人在封闭管道内部的相对定位。为测试步态规划及运动控制的合理性和航迹推算系统的有效性,使用机器人样机在不同管道进行全方位爬壁实验。机器人能自适应不同的管道工况,实现在管道内的全方位爬壁运动,且可及时进行航向调整,运动过程具有较高的稳定性;航迹推算系统的估计结果与实际运动轨迹基本一致,实现了较好的定位性能,验证了航迹推算系统的有效性。

关键词： GIS管道四足爬壁机器人系统设计步态规划航迹推算

ZigBee与航迹推算混合定位的电动轮椅导航控制系统

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电子测量与仪器学报 2016年第7期30卷 1076-1082页

作者：郭艳青刘征宇杨善春范杰张超张利合肥工业大学机械工程学院合肥230009 合肥华信电动科技发展有限公司合肥230041

针对具有下肢行动障碍、上肢运动不灵活的老年人或残障人士,以电动轮椅为运动载体,提出了一种ZigBee定位与航迹推算相融合的电动轮椅智能导航控制系统的方案。系统采用ZigBee与航迹推算相融合的定位算法,选取STC系列单片机为中央处理器... 详细信息

针对具有下肢行动障碍、上肢运动不灵活的老年人或残障人士,以电动轮椅为运动载体,提出了一种ZigBee定位与航迹推算相融合的电动轮椅智能导航控制系统的方案。系统采用ZigBee与航迹推算相融合的定位算法,选取STC系列单片机为中央处理器,对控制系统的硬件部分和软件部分进行了详细设计,并以电动轮椅为控制对象,进行控制系统运动导航的实验验证。结果表明,在运动状态下,混合定位融合了航迹推算和ZigBee定位的优点,与独立的ZigBee定位技术相比,提高了电动轮椅导航系统的位置目标定位精度。

关键词：电动轮椅混合定位导航 Zig Bee定位航迹推算

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差动驱动机器人的一种航迹推算定位方法

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年第11期33卷 1605-1608,1622页

作者：张利潘承毅刘征宇徐娟黄业伟合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230009

文章针对当前差动驱动轮式服务机器人的航迹推算定位精度不足问题,提出一种新的推算方法。该方法通过测量同轴上的2个驱动轮的角速度,利用差动驱动系统的运动规律推算出2个驱动轮的下一个采样时刻的位置。在机器人起始位置已知情况下,... 详细信息

文章针对当前差动驱动轮式服务机器人的航迹推算定位精度不足问题,提出一种新的推算方法。该方法通过测量同轴上的2个驱动轮的角速度,利用差动驱动系统的运动规律推算出2个驱动轮的下一个采样时刻的位置。在机器人起始位置已知情况下,该算法可以跟踪和定位机器人一段距离,能有效地辅助和矫正定位有盲区或定位精度不稳定的其它室内定位方法。仿真实验结果表明,该方法定位的误差比当前基于微分方程模型推算定位的误差小。

关键词：差动驱动航迹推算服务机器人辅助定位

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顾及伪步态影响的行人航迹推算方法

测绘科学 2020年第9期45卷 37-42页

作者：陶晓晓卢小平路泽忠周雨石王舜瑶河南理工大学自然资源部矿山时空信息与生态修复重点实验室河南焦作454000

针对行人航迹推算(PDR)误差会随时间累积,导致行人步行不规律所导致的伪步态,影响到步数测量的准确度问题,该文对基于移动智能终端内置加速度计的步态检测算法进行改进,提出一种顾及伪步态影响的算法模型,通过将行人行走时加速度的幅值... 详细信息

针对行人航迹推算(PDR)误差会随时间累积,导致行人步行不规律所导致的伪步态,影响到步数测量的准确度问题,该文对基于移动智能终端内置加速度计的步态检测算法进行改进,提出一种顾及伪步态影响的算法模型,通过将行人行走时加速度的幅值、相似性、连续性作为3个约束条件,并设置合理的阈值剔除行人步行的伪步态,提高了手机测量步数的准确度。通过与小米运动手环、微信运动、悦动圈等主流商业软件的计步准确度进行对比,同时对行人的航迹推算准确度进行检测,结果表明本文算法具有较好的鲁棒性。

关键词：航迹推算伪步态加速度计步数测量鲁棒性

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关于风流中航迹推算方法的探讨

中国航海 1998年第1期21卷 6-9页

作者：潘琪祥上海海运学院

直至１９９１年，我国交通院校的统编教材《航海学》中关于航迹推算部分，都是按照原苏联乌霍夫（К．С．Ухов）教授在［１］中提出的观点和方法论述的。在［１］～［４］中，都错误地将计程仪船速矢量定义在风中航迹线上，因而，... 详细信息

直至１９９１年，我国交通院校的统编教材《航海学》中关于航迹推算部分，都是按照原苏联乌霍夫（К．С．Ухов）教授在［１］中提出的观点和方法论述的。在［１］～［４］中，都错误地将计程仪船速矢量定义在风中航迹线上，因而，在此基础上提出的有风有流情况下的航迹推算方法也是错误的。本文在纠正这些错误的同时，还对绝对计程仪船速在风流航迹推算中的应用作了深入的分析，从而纠正了［４］在论述这个问题上存在的错误。

关键词：航迹推算船速风中航迹线

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基于航迹推算的室内行人地图辅助定位方法

测绘科学技术学报 2017年第5期34卷 451-454页

作者：刘艳红任明荣王普郭红雨北京工业大学信息学部自动化学院北京100124 数字社区教育部工程研究中心北京100124 城市轨道交通北京实验室北京100124 计算智能与智能系统北京市重点实验室北京100124

行人航迹推算(PDR)是室内定位领域中应用最广泛,最廉价有效的一种定位方法,但其误差会随时间而累积。为了有效减少航迹推算的累计误差,基于航迹推算原理建立了粒子滤波模型,辅以室内地图约束粒子传播方向;同时提出虚拟路标匹配算法克服... 详细信息

行人航迹推算(PDR)是室内定位领域中应用最广泛,最廉价有效的一种定位方法,但其误差会随时间而累积。为了有效减少航迹推算的累计误差,基于航迹推算原理建立了粒子滤波模型,辅以室内地图约束粒子传播方向;同时提出虚拟路标匹配算法克服传统定位方法中由于航向角变化误差模型不准确导致定位失败的缺点。结果表明,该算法可以有效的提高航迹推算的稳健性。

关键词：室内定位航迹推算粒子滤波地图辅助技术虚拟路标匹配算法

一种惯性传感器与编码器相结合的AGV航迹推算系统

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机电工程 2018年第3期35卷 310-316页

作者：吴鹏李东京贠超北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对在没有外部信号的室内环境下的自动导引车定位问题,对如何提高相对定位算法的准确性与稳定性等问题进行了研究,提出了一种将惯性导航与里程计相结合的算法,设计了卡尔曼滤波器来将磁强计、陀螺仪、加速度计的数据与轮上编码器的数... 详细信息

针对在没有外部信号的室内环境下的自动导引车定位问题,对如何提高相对定位算法的准确性与稳定性等问题进行了研究,提出了一种将惯性导航与里程计相结合的算法,设计了卡尔曼滤波器来将磁强计、陀螺仪、加速度计的数据与轮上编码器的数据相融合,搭建了以Windows XP为操作系统,固高嵌入式运动控制器为主控的两轮驱动实验平台,并基于该实验平台设计了传感器误差补偿对比实验与位置估计对比实验。实验结果表明:所提出的算法对补偿加速度计与陀螺仪的传感器误差,提升位置估计的准确性与稳定性具有显著效果。

关键词：定位航迹推算惯性导航自动导航车编码器

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基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统

工矿自动化 2016年第5期42卷 19-23页

作者：马京胡青松宋泊明张申中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008

针对RSSI指纹膜定位方法受矿井环境影响较大,而基于航迹推算的定位方法易形成误差累积的问题,设计了基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统。该系统周期性采集人员的位置信息与运动姿态信息,利用K近邻和峰值检测方法求解指纹定位结果... 详细信息

针对RSSI指纹膜定位方法受矿井环境影响较大,而基于航迹推算的定位方法易形成误差累积的问题,设计了基于指纹膜与航迹推算的井下人员定位系统。该系统周期性采集人员的位置信息与运动姿态信息,利用K近邻和峰值检测方法求解指纹定位结果和航迹推算结果,并对定位结果进行加权融合得到目标位置。测试结果表明,该系统明显提高了定位精度和稳定性,对煤矿巷道复杂环境具有较强的适应能力。

关键词：井下人员定位指纹膜航迹推算融合算法

基于航迹推算的全向移动机器人定位及磁导航的研究

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基于航迹推算的全向移动机器人定位及磁导航的研究

作者：李雪茹南京理工大学

学位级别：硕士

移动机器人的定位与导航是其主要的功能,也是目前研究领域的热点和难点。本文针对室内定位机器人,以三轮航迹推算定位方式为基础,设计了一款全向移动机器人,重点进行了磁导航实验的设计和避障功能的实现,具体工作包括:对当前机器人领域... 详细信息

移动机器人的定位与导航是其主要的功能,也是目前研究领域的热点和难点。本文针对室内定位机器人,以三轮航迹推算定位方式为基础,设计了一款全向移动机器人,重点进行了磁导航实验的设计和避障功能的实现,具体工作包括:对当前机器人领域的智能移动机器人研究现状、机器人定位及导航技术研究现状进行了综述。进行了轮式移动机器人运动机构的分析,在此基础上设计制造了一款具有主、从动轮系统的、具有高负载能力且具有减震功能的全向移动机器人。对机器人整体结构、轮子的传动机构、弹簧减震机构等进行了详细的介绍。进行了机器人硬件方案的选型和设计。选用STM32F103VET6作为机器人的主控芯片、设计了基于旋转编码器的航迹推算定位模块,完成电机驱动模块伺服电机的设计计算和驱动器的选型,使用超声波传感器和视觉传感器作为磁导航的避障模块,完成机器人硬件系统的设计和硬件电路的搭建。对机器人主动轮系统的运动进行了分析,推导出麦克纳姆轮全向移动机构的运动学方程。建立了机器人三轮全向移动的运动学模型,得到从动轮转速与机器人位姿之间的关系,推导了三轮航迹推算定位算法,对该算法进行了实验验证,并对定位误差进行了分析。通过采集前、后磁传感器的信号,分析机器人与磁条位置关系进行机器人横向定位,结合航迹推算算法实现机器人纵向定位,并通过超声波传感器测距和视觉传感器测量障碍物横向尺寸确定障碍物轮廓,进行了避障功能的设计,最终实现机器人的磁导航功能,并分析了导航误差。结果表明本课题设计的全向移动机器人底盘结构满足负载和强度要求,采用的航迹推算算法基本满足室内定位要求,为移动机器人定位的研究提供了理论支持和实验参考。

关键词：定位机器人航迹推算避障磁导航