智能小車的慣性定位

(東南大學信息科學與工程學院 江蘇 南京 210000)

目前，隨著智能車輛的出現和進一步研發，GPS全球定位系統和慣性導航成為車輛定位領域的兩大主要技術。其中GPS技術，當遇到遮蔽時，會出現無法搜索衛星定位的情況。而慣性導航技術則因其依賴性弱，隱蔽性強，更新率高，短期精度和穩定性好的特點，被認為是最有發展前途的一種導航系統。慣性導航系統是一種利用慣性傳感器測量載體的比力及角速度信息，并結合給定的初始條件實時推算速度、位置、姿態等參數的自主式導航系統，屬于一種推算導航方式。目前，還未有任何一種其它導航手段能夠完全代替慣性導航系統，這也是當今國內外軍事技術發展的熱點之一。

1 基于陀螺儀和加速度器進行慣性定位的基本原理

1.1慣性定位的基本原理。常規慣性定位系統采用加速度計和陀螺儀傳感器來測量載體參數，其中，陀螺儀用來形成一個定位坐標系使加速度計的測量軸穩定在該坐標系中并給出航向和姿態角；加速度計用來測量運動體的加速度經過對時間的一次和分得到速度，速度再經過對時間的一次積分即可得到距離，從而達到對載體導航定位的目的。

捷聯慣性導航系統是將慣性器件陀螺儀、加速度計構成的慣性測量單元直接與載體固聯，測量得到的載體角速度與線運動參數是沿載體固聯的坐標軸上的分量。導航計算機通過計算“姿態矩陣”可以將加速度信息轉換到慣性坐標系或當地地理坐標系，從而實現“數學平臺”，然后再進行速度及位置計算。

1.2加速度計原理。加速度傳感器利用重力加速度，可以檢測設備的傾斜角度，加速度計在慣性參照系中用于測量小車的線加速度，但只能測量相對于小車運動方向的加速度。通過以慣性參照系中小車初始方位作為初始條件，對加速度進行積分運算，就可以時刻得到小車的相對位移。

1.3角速度傳感器-陀螺儀原理。在四軸上安裝陀螺儀，可以測量四軸傾斜的角速度，將角速度信號進行積分便可以得到四軸的傾角。由于陀螺儀輸出的是四軸的角速度，不會受到四軸振動影響。

加速度計在較長時間的測量值是正確的，然而在較短時間內由于信號噪聲及運動方向加速度的存在，會有很大的誤差。陀螺儀測得的是角速度，在較短時間內則比較準確，而較長時間則會有積分漂移產生誤差。因此，需要兩者相互調整融合來確保姿態角的正確。

2 方案設計

本文選擇使用MPU6050傳感器、超聲波、藍牙器件，并利用Arduino平臺和捷聯式慣性導航方式來實現小車的定位。

2.1、數據獲取及傳輸。將MPU6050傳感器直接與小車固聯，利用MPU6050六軸運動處理模塊，首先采集三軸加速度，將數據傳回計算機平臺用于計算歐拉角。

使用Arduino平臺來完成運行算法代碼的編寫，用于控制智能小車的運動、自動避障以及進行傳回數據的計算。

利用超聲波簡單易用、性能穩定、靈敏度高、測距距離精確的特點進行小車的測距，實現自動避障。

安裝藍牙用于小車與電腦的通信實現數據傳輸。

2.2、數據處理。由慣性定位原理可以通過測量的加速度來計算小車的相對位移，為了實現更精準的定位，繼續研究陀螺儀和加速度計的誤差模型。通過分析可以提出誤差模型，進行誤差補償。影響陀螺儀誤差的主要因素是零點漂移誤差，而影響加速度計誤差的主要因素是溫度漂移誤差。

陀螺儀誤差模型為：

?h=εc+ ?r+ ?g(1)

其中， ?c為零點偏移， ?r為隨機白噪聲，均方差為常值 ?g為階馬爾科夫過程漂移。

加速度計誤差模型為：

λ=λr+ ?a(2)

其中：λr為溫度漂移，均方差為常值 ?a為以及隨機馬爾科夫過程漂移。

通過計算可得出加速度計的綜合誤差是：

又根據陀螺儀角度計算公式可以得到陀螺儀角度誤差為：

最后將處理過后的數據傳入串口中，并存儲在.txt文件中用Matlab讀取和處理，在Matlab中將傳入數據進行壓縮并畫出軌跡圖。

3 成果展示

實驗結果為小車可以通過遙控器行走并將其軌跡在電腦上顯示，通過結果圖可看出小車能夠實現自動避障和定位的功能。

4 總結

雖然慣性定位系統長期的精度性還有待提高，但對于小車這樣的小范圍內運動的機器來說，基于陀螺儀和加速度計的慣性自主定位導航系統，不僅定位可靠，精度也較高，并且價格低廉，可以應用

于GPS盲區對汽車的定位或室內輪式巡航機器人的定位與導航。慣性傳感器技術的不斷發展和優化使慣性導航系統正向小型化、捷聯化、組合導航的方向發展。多系統融合，自動故障檢測、隔離，智能導航和友好的人機交互界面將是未來導航系統的特點。由此可見，慣性定位導航系統具有巨大的發展潛力，會在未來導航定位系統中扮演重要角色。