基于GNSS定位技術的消防機器人轉彎直徑測量方法探討

摘要：針對消防機器人測試驗收中轉彎直徑技術指標人工測量方式操作繁瑣、耗時長、誤差大的問題，提出一種基于全球導航衛星系統（GNSS）定位技術的消防機器人轉彎直徑測量方法，利用GNSS接收器的高精度定位、定向能力，結合消防機器人運動學特性，實現對消防機器人轉彎過程中的軌跡追蹤，通過對特征點軌跡的分析獲得轉彎直徑結果。在實際測試中對比傳統測量方法，驗證了該方法的準確性和可靠性。

關鍵詞：GNSS定位技術；消防機器人；轉彎直徑；導航；定位

中圖分類號：TP242" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）08-0001-05

0 引言

消防機器人在實際應用中面對復雜環境，需要自主導航和定位，以完成各種任務。轉彎直徑作為評價消防機器人機動性能的重要指標之一[1]，對于其在狹窄空間中的作業尤為重要[2]。傳統的轉彎直徑測量方法通常依賴于滴水法。這些方法易受客觀因素影響，增加測量的不確定性，影響測量精度。因此，需要一種更加準確、可靠的轉彎直徑測量方法。

GNSS定位技術作為一種高精度、全天候、全球覆蓋的定位技術，在消防機器人導航和定位中得到了廣泛應用。本文提出了一種基于GNSS定位、定向技術的消防機器人轉彎直徑測量方法，旨在提高測量的準確性和適應性。該方法利用GNSS接收器的高精度定位、定向能力，在消防機器人轉彎過程中，實現對其機身各個特征點的軌跡追蹤，分析軌跡獲得其最大轉彎直徑的測量數據。通過實際測試和數據分析，本方法精度明顯優于傳統測量法，驗證了該方法的準確性和可靠性。

1 GNSS定位技術原理

GNSS是一種利用多顆衛星發射的無線電信號來確定地球上某點位置的技術。目前，全球范圍內已經投入運行的GNSS系統包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo以及中國的北斗（BDS）等。這些系統能夠提供高精度、全天候、全球覆蓋的定位服務[3]。

1.1" GNSS系統概述

GNSS系統主要由衛星、地面控制系統和用戶設備等3部分組成。衛星負責發射無線電信號，地面控制系統負責監控和管理衛星的運行狀態，用戶設備則用于接收衛星信號并進行定位計算。

在GNSS系統中，每顆衛星都攜帶有1個精確的原子鐘，并不斷地向地球發射包含時間戳和衛星位置信息的無線電信號。用戶設備通過接收來自至少4顆衛星的信號，利用三角測量法計算出自身的三維位置。

1.2" 定位原理

GNSS定位的基本原理是通過接收來自至少4顆衛星的信號，利用三角測量法計算出接收器的三維位置。具體來說，用戶設備在接收到衛星信號后，會測量信號從衛星到接收器的傳播時間，并根據光速計算出信號傳播的距離。由于每顆衛星的位置已知，因此，可以通過4個距離值確定用戶設備的三維位置。

在實際應用中，由于大氣層對信號傳播的影響，測量距離存在一定的誤差。為了提高定位精度，GNSS系統通常采用差分定位技術。差分定位技術是通過在已知位置設置1個基準站，實時測量基準站與衛星之間的距離，并將測量結果與理論值進行比較，得到誤差修正值。用戶設備在接收到衛星信號后，可以利用這些修正值對自身的測量結果進行修正，從而提高定位精度[4]。

2 測量方法

目前，傳統滴水法是測量消防機器人最小轉彎直徑的主要方法之一，操作說明如下：①類似于汽車最小轉彎直徑的測量[5]，可以在消防機器人上安裝行駛軌跡顯示裝置，在測量點上方滴水在地面形成軌跡，然后讓消防機器人以低速在平坦、無障礙物的地面上進行轉彎。②保持消防機器人轉向機構在極限位置，使消防機器人形成穩定的轉彎軌跡。以較低車速穩定行駛一周，形成封閉的軌跡圓。③使用測量工具（如鋼卷尺、激光測距儀等）測量消防機器人測量點的外輪廓軌跡圓的直徑。④對于左轉彎直徑和右轉彎直徑，需要分別進行測量，需要在相互垂直的兩個方向上測量。取左右轉彎兩者中的較大值作為最終的最小轉彎直徑。

滴水法也存在很多弊端，主要體現在以下兩個方面：①準確性問題。滴水法可能受到多種因素的影響，如水滴的速度、數量、分布等，這些因素都可能影響測量的準確性。此外，水滴在形成軌跡時可能受到風阻等外部因素的干擾，導致軌跡不準確。水滴在地面形成印記的擴散，給測量基準帶來很多不確定性，會產生較大誤差。②操作復雜。滴水法需要設置合適的滴水裝置和控制滴水條件，這可能增加了操作的復雜性和不確定性。同時，測量過程中需要確保水滴能夠均勻、連續地滴落在軌跡上，這也需要一定的技巧和經驗。由于測量點多、試驗工作量大，不宜同時測量多點軌跡，效率低。

基于GNSS定位技術的消防機器人最小轉彎直徑的測量方法是，通過高精度GNSS定位技術，使用軌跡繪制軟件[6]，把消防機器人可能的最小轉彎直徑測量點在地面的投影軌跡繪制出來，軟件自動分析出哪個測量點是最小轉彎直徑點，并計算出最小轉彎直徑。對每個特征測量點的軌跡按照航向角度分段計算旋轉直徑，取最大值；對比各個特征點的最大直徑，并取最大值。鑒于消防機器人最小轉彎直徑測量點通常情況下不能直觀得到，應對可能的測量點進行測量，計算最小轉彎直徑進行比較，找到符合要求的測量點并得出結論。對于履帶式消防機器人，可能的測量點為：兩側履帶的前后外側點以及水炮處（臂架）。水炮在行駛狀態時收縮到最小位置。對于輪式消防機器人，可能的測量點為：消防機器人前后端左右側交匯點以及水炮處（臂架），水炮在行駛狀態時收縮到最小位置[7]。

2.1" 測量步驟

基于GNSS定位技術的消防機器人轉彎直徑測量方法主要包括以下步驟：

1）選擇GNSS接收器。根據測量精度和穩定性要求，選擇具有高精度和高穩定性的GNSS接收器。在選擇接收器時，需要考慮其接收頻率、靈敏度、動態性能等指標。本方案采用高精度定位接收器，定位精度0.006m，數據發送頻率100Hz。

2）消防機器人軌跡記錄。在消防機器人轉彎過程中，通過GNSS接收器連續記錄其位置信息。這些位置信息包括經度、緯度、高度和時間戳等。專用的數據系統結合專用數據處理軟件實時進行軌跡圖形繪制。

3）軌跡擬合。利用數學方法（最小二乘法）對記錄的位置信息進行擬合，得到消防機器人轉彎的軌跡曲線。軌跡擬合的目的是將離散的位置點連接成一條平滑的曲線，以便更好地描述消防機器人的運動軌跡。

2.2" 測量軟件

軟件為專用處理軟件。計算軌跡坐標并繪制軌跡圖，自動分析相關參數、計算最小轉彎直徑。

設備核心是GNSS組合式慣導，采用雙天線方式，可以精確測量位置及方向參數。RTCM選用通過GNSS基站獲取高精度定位服務的方式，保證定位數據的高精度。

1）特征點相對坐標：無論如何運動，消防機器人上任意兩點位置是相對不變的，在進行測試準備時，可通過安裝于消防機器人上的定位設備坐標和航向角、點位采集設備自身坐標和航向角，以及手持定位設備（點位采集設備）與特征點距離，計算出特征點相對于消防機器人上定位設備的相對位置坐標。

2）特征點運動軌跡：通過消防機器人上安裝的高精度定位裝置，可獲取消防機器人整個運動的定位軌跡散點集合，再通過之前獲取的特征點相對位置坐標，計算出特征點軌跡的散點集合。

3）坐標系之間的轉換：①定位設備安裝點獲取的大地坐標系原始定位坐標O（X0，Y0），車身航向角Wz。②目標點相對定位設備（定位點為原點O）的車身坐標系坐標A（ΔX，ΔY）；也就是在XOY坐標系中，ΔX、ΔY相對于O點的位置，試驗前可以通過手持定位裝置測量并自動輸入計算機中（也可通過手工測量，人工輸入計算機中）。③計算目標點A的大地坐標系坐標為：

X=X0+ΔX*cos（Wz）-ΔY*sin（Wz）

Y=Y0-ΔX*sin（Wz）+ΔY*cos（Wz）

4）軌跡圓直徑計算：每次將軌跡旋轉一定角度，分別取旋轉后軌跡的X方向、Y方向最大值和最小值的差值（見圖4），通過多次旋轉，最大差值即為該軌跡的最大軌跡圓直徑。

旋轉軌跡根據以下公式：

3 實驗驗證

為了驗證基于GNSS定位技術的消防機器人轉彎直徑測量方法的準確性，進行了實際測試。測試過程中，選擇了一款湖南北云的高精度GNSS接收器和基站，對消防機器人進行了最小轉彎直徑測試。

3.1" 測試環境

空曠場地場景。空曠場地無遮擋物，衛星信號質量好。

3.2" 測試設備

測試設備包括湖南北云雙天線高精度GNSS接收器（含基站）、1臺計算機和1臺消防機器人。GNSS接收器用于接收衛星信號并進行定位計算；計算機用于記錄和處理數據；消防機器人則用于執行轉彎操作[8]。

3.3" 測試步驟

測試步驟如下：①現場使用1臺輪式消防機器人測試。在空曠場地場景下，測試區域應足夠寬敞，以便消防機器人能夠自由轉彎。②將GNSS接收器安裝在消防機器人上，并連接計算機。確保接收器和計算機之間的通信正常，并能夠實時記錄位置信息。③啟動消防機器人，并讓其按照預定最小轉彎方法操作消防機器人。在轉彎過程中，GNSS接收器會連續記錄消防機器人的位置信息。④完成轉彎操作后，將記錄的數據導入計算機中進行處理和分析。利用數學方法對位置信息進行擬合，得到消防機器人轉彎的軌跡曲線。⑤根據擬合得到的軌跡曲線，計算轉彎直徑，并與實際值進行比較，驗證測量方法的準確性和可靠性。

3.4" 測試結果與分析

分別對消防機器人機型左轉和右轉各2次試驗。4次試驗結果見表1。

右轉軌跡曲線見圖5、圖6，左轉軌跡曲線見圖7、圖8。其中，GNSS曲線代表GNSS設備中心的原點軌跡。LF曲線代表左前點軌跡。RF曲線代表右前點軌跡。LB曲線代表左后點軌跡。RB曲線代表右后點軌跡。BM曲線代表水炮（臂架）處軌跡。

為了保證測試精度，測試時，需要保持轉向機構在最大轉向位置，必須調整好消防機器人狀態，保證消防機器人在良好工作狀態，轉向角度偏差符合出廠要求。

根據試驗結果，采用GNSS軌跡測量法試驗時，左右轉彎時最大轉彎直徑都是水炮位置，左右轉試驗時，重復精度在1cm以內。

滴水法測量精度在0.1m左右，存在很多不確定因素，影響最終結果。

4 結束語

消防機器人最小轉彎直徑的測量結果（下轉第18頁）（上接第4頁）對于評估消防機器人在狹窄空間或復雜環境中的機動性和通過性具有重要意義。它可以幫助設計師和工程師優化消防機器人的結構設計和運動控制算法，以提高其在實際應用中的性能和效率。本文提出了一種基于GNSS定位技術的消防機器人轉彎直徑測量方法，并通過實際測試和數據分析驗證了其準確性。該方法利用GNSS接收器的高精度定位能力，結合消防機器人運動學特性，實現對消防機器人在轉彎過程中的軌跡追蹤和直徑測量。試驗結果表明，在開闊的環境中，該方法具有較高的測量精度和穩定性。

參考文獻

[1]中國消防協會.步履式救援機器人 第1部分：技術要求：T/CFPA030—2023[S].北京：中國消防協會，2023.

[2]羅晗.履帶式機器人底盤設計與運動性能分析[D].成都：西南交通大學，2022.

[3]趙長勝.GNSS原理及其應用[M].北京：測繪出版社，2020.

[4]徐開俊，徐照宇，趙津晨，等.GNSS/INS組合導航系統發展綜述[J].現代計算機，2022，28（20）：1-8.

[5]國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會.汽車及汽車列車最小轉彎直徑、轉彎通道圓和外擺值測量方法：GB/T 12540—2024[S].北京：中國標準出版社，2024.

[6]孫上杰，姜樹海，崔嵩鶴，等.基于深度學習的森林消防機器人路徑規劃[J].森林工程，2020，36（4）：51-57.

[7]張華，王釗桐，羅偉堅，等.自動駕駛融合感知定位精度的驗證測試[J].汽車與新動力，2024，7（5）：21-24.

[8]王猛猛.智能林區巡護車雙天線GNSS/INS組合姿態測量系統設計與試驗[J].農業技術與裝備，2025（2）：19-22.