[发明专利]一种基于毫米波与惯性融合导航的安防机器人

说明书

本发明公开了一种基于毫米波与惯性融合导航的安防机器人，在基于调频毫米波导航系统研究的基础上，为了进一步提高安防机器人的导航精度，根据捷联式惯性导航系统装置，研究安防机器人的惯性导航数学模型，开展基于惯性传感器的安防机器人导航实验，获取相关的导航误差数据。以毫米波导航系统输出的导航位置作为观测量，建立量测方程；以惯性导航系统输出的导航信息作为状态量，建立状态方程；将两种导航系统装置输出，作为融合滤波器的输入，研发了基于毫米波与惯性融合的安防机器人导航系统装置；并完成机器人在烟雾、昏暗环境下的导航测试，实验结果表明：基于该装置，提高了安防机器人的导航精度，且机器人能灵活处理导航路径中的障碍物，验证了该方案的有效性和可行性。

技术领域

本发明涉及机器人导航技术领域，尤其涉及一种基于毫米波与惯性融合导航的安防机器人。

背景技术

安防机器人是代替人执行危险工作的智能体。为了使安防机器人在这些环境下自主运行，需要能够实时获取机器人的位置并控制其运动，因此导航技术成为安防机器人的关键技术之一；

安防机器人的工作环境是复杂的，例如烟雾环境中空气密度的扰动，会导致激光定位聚焦点晃动，光线不足的环境影响视觉传感器接收环境信息。因此，对于在昏暗、和浓烟等环境下，视觉和激光的导航方法均不再适用。而针对烟雾、昏暗环境的机器人导航问题，需要使用一种可以克服此类环境的传感器，完成机器人的导航作业。在众多抗干扰信号的研究当中，30 到300 GHz频段的毫米波兼有红外和微波的特征，具有低功耗，抗干扰能力强、低仰角跟踪性能好，能穿透等离子体，性能稳定，多普勒频率高，结构简单等特点。因此，可以利用毫米波为安防机器人在烟雾、昏暗等环境中，完成导航任务而提供基本保证。

在上述背景下，学术界开展了基于毫米波的安防机器人的理论和技术研究，初步搭建了安防机器人的研发平台，研发基于调频毫米波的安防机器人导航系统，导航误差约为0.11米。

为了把安防机器人的导航精度提高到厘米级，使得机器人能应用于高精度的环境，需要采用与其他传感器融合的方式，得到更为准确地机器人导航信息。在众多传感器中，惯性导航传感器具有抗干扰能力强、短时间内导航精度好、自主性高等特点，深受国内外科研工作者的广泛关注。因此，可利用惯性传感器，将毫米波雷达输出的机器人位置信息，与惯性导航系统输出的机器人位置信息，通过相关算法融合，得到当前机器人所在的最佳估计位置。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于毫米波与惯性融合的安防机器人导航系统。

基于上述目的本发明实施了提供了一种基于毫米波与惯性融合的安防机器人导航系统，软件方面包括：

实时处理毫米波雷达接收信号中存在的杂波信号；

实时处理并设置毫米波雷达处于动态干扰环境下的阈值门限；

利用所述的阈值门限，实时获取毫米波雷达与安防机器人之间距离信息集合；

将所述距离信息集合，通过分割聚类法，转换为毫米波雷达与安防机器人几何中心的之间距离；

将所述获取的距离信息，利用三角定位算法，转换为安防机器人所在空间的位置信息。

最优导航路径规划算法，在机器人运动学的基础上，划分导航空间、构建特征网、在特征网上基于曼哈顿距离原理，搜索最优路径；当最优路径中存在障碍物，可通过装有力反馈系统的机器臂，推开障碍物或绕过越过障碍物；若障碍物不可操作，则机器人向毫米波导航系统请求重新规划绕过障碍物的导航路径；所述的力反馈系统的机器臂装有力反馈传感器和预施力算法。

实时处理的捷联惯性导航系统输出的机器人运动状态下的速度增量，并转换为每一个采样周期的平均速度；

实时处理并获取的机器人所在空间姿态信息；

将利用所述的平均速度与机器人姿态信息，解算的机器人所在空间位置信息。

将所述捷联惯性导航系统解算的机器人空间位置信息建立状态方程，在时刻的状态方程：