基于惯性传感器和视觉里程计的机器人定位

第３４卷第ｌ期２叭３年１月

仪器仪表学报

Ｖ０１．３４Ｎｏ．１

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｍａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｌｌｌｍｅｎｔ

Ｊａｎ．２０１３

基于惯性传感器和视觉里程计的机器人定位

夏凌楠１，张波２，王营冠１，魏建明２

（１．中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室上海２０００５０；

２．中国科学院上海高等研究院上海２０１２１０）

摘要：针对机器人快速运动下，由运动模糊而导致视觉里程计定位估计精度下降的问题，结合惯性传感器和视觉里程计提出一种定位算法。该方法以扩展卡尔曼滤波（ｅｘｔｅｎｄｅｄ

Ｋａｌｍａｎ

６ｌｔｅｒ，ＥＫＦ）为框架，利用惯性传感器的航位推算构建ＥＫＦ的过程模型，

视觉里程计作为相对线速度和相对角速度传感器用来建模观测方程，同时考虑到机器人运动在平面上，在垂直方向和侧向方向不会产生跳动和滑动，利用这两个方向上瞬时速度为零的约束构建另外一个观测方程。提出的定位方法能够克服视觉定位和惯性定位的缺点，提高了定位精度。基于机器人实测数据进行实验，结果表明提出的算法优于单独采用惯性传感器和视觉里程计。

关键词：机器人定位；惯性传感器；视觉里程计；扩展卡尔曼滤波

中图分类号：ＴＰ３０１．６

文献标识码：Ａ

国家标准学科分类代码：４６０．４０

ＲｏｂｏｔｌＯｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｉｎｅｒｔｉａｌ

ｓｅｎｓｏｒ

ａｎｄ订ｄｅｏ

ｏｄ锄ｅｔｒｙ

ＸｉａｎｎｇＩｌａｎｌ，ＺｈａｎｇＢ０２，ＷａｎｇＹｉｎｇｇｕａｎｌ，ＷｅｉＪｉａｎｍｉｎ９２

（Ｊ．研儿６０删Ｄ¨矿耽ｒｅｋｓ＆嬲ｏｒ＾协埘。以＆ｃｏ肼Ｈｕ凡缸谢如凡，肌ｏ，ｌ咖ｉ觚胁眦ｅ矿舭瑚”￡ｅｍ

Ⅱ以倒台丌Ｍ￡ｉｏｎ‰＾加２０９ｙ，吼ｉ耻ｓｅＡｃ础，可矿Ｓｃ如Ｍ∞，‰，劬以２０∞５０，吼ｉ№；２．Ｓｋ啦ｏｉＡ幽口愀ｄ

鼢眦ｎ如Ｊｗ疵眦ｅ，吼ｉｎ部ｅ』４ｃ础，Ⅳｏ厂＆如，艄，虢口，ｌｇ讹ｉ２ＤＪ２ＪＤ，ｃ＾ｉ船）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ

ａｔ

ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅ１０ｃａｌｉｚａｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆＶｉｓｕａｌｏｄｏｍｅｔｒｙｄｒｏｐｓｄｕｅ

ｏｎ

ｔｏ

ｍｏｔｉｏｎｂｌｕｒ

ｅｘ—

ｕｎｄｅｒｆａｓｔｒｏｂｏｔｍｏｔｉｏｎ，ａｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｔｅｎｄｅｄＫａｌｍｅｍ

ｉｎｅｎｉａｌ

ｓｅｎｓｏｒ

ａｎｄＶｉｓｕａｌｏｄｏｍｅｔｒｙ．Ｔａｋｉｎｇ

６ｌｔｅｒ（ＥＫＦ）ａｓ

ｔｈｅｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｎｓｔｍｃｔｓｔｈｅＥＫＦｐｍｃｅｓｓｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇｔｈｅ

ａｓ

ｄｅａｄｒｅｃｋｏｎｉｎｇｏｆｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒ；Ｖｉｓｕａｌｏｄｏｍｅｔｒｙｉｓｕｓｅｄｍｏｄｅｌｔｈｅｏｂｓｅｎｒａｔｉｏｎｅｑｕａ上ｉｏｎ．ＴａｋｉｎｇｉｎｔｏｌａｔｅｒａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｗｈｉｌｅｍｏＶｉｎｇ

ｚｅｒｏ

ｏｎ

ａ

ｒｅｌａｔｉｖｅｌｉｎｅａｒＶｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｎｇｕｌａｒＶｅｌｏｃｉｔｙ

ｎｏｔ

ｓｅｎｓｏｒｓ

ｔｏ

ａｃｃｏｕｎｔ

ｔｈｅｆａｃｔｏｒｔｈａｔｔｈｅＩＤｂｏｔｄｏｅｓｓｌｉｄｅａｎｄ

ｊｕｍｐ

ｔｗｏ

ｉｎｖｅｒｔｉｃａｌａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ

ａｒｅ

ｐｌａｎｅ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｓｅ

ｉｓｕｓｅｄ

ｔｏ

ｃｏｎｓｔｍｃｔａｎｏｔｈｅｒｏｂｓｅｎ，ａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｄｔｈｍｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ

ａｓ

ｏｆｉｎｅｎｉａｌｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＶｉｓｕａｌｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｍｐｒ０Ｖｅｓｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ

ｔｅｓｔ

ｗｅｌｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ

ｔ０

ｏｎ

ｒｅａｌｒｏｂｏｔ

ｕｓｉｎｇｉｎｅｒ—

ｄａｔａｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．ＥｘｐｅＩｉｍｅｍｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｕｐｅｒｉｏｒ

ｓｅｎｓｏｒ

ｏｒ

ｔｈｅ

ａｏ甜ｒｉｔｈｍｓ

ｔｉａｌ

ｖｉｓｕａｌｏｄｏｍｅｔｒｙａｌｏｎｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒ；ｖｉｓｕａｌｏｄｏｍｅｔｒｙ（ＶＯ）；ｅｘｔｅｎｄｅｄ

（ｄｏｂａｌ

Ｋａｌｍｅｍ

６ｌｔｅｒ（ＥＫＦ）

１

引言

ｐｏｓｉｔｉｏ血ｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）进行定位¨。，一般用在星空

探索，而且应用场合一般在室外有信标或者ＧＰＳ信号覆盖的地方。相对定位则是采用里程计、惯性传感器（ＩＭｕ）、声呐及视觉传感器等确定机器人在操作环境中相对于初始时刻的位置和姿态。传统的相对定位算法主要分为里程计法和惯性导航法‘２Ｊ。里程计（ｏｄ０咖田）是一种被广泛应用的方

定位是移动机器人应用的关键技术之一，是机器人实现自主化的—个首要问题，也是机器人自主导航和路径规划的的基础。定位技术分为相对定位和绝对定位２类。绝对定位是指利用导航信标、主动或被动标识或卫星导航技术

收稿日期：２０１２—０５

ＲｅｃｅｉｖｅｄＤａｔｅ：２０１２—０５

；基金项目：国家重大专项（２０ｌＯｚＸ０３００６瑚４）、中国科学院知识创新工程重要方向项目（Ｙ０２２０８１１３１）资助

第1页下一页