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【6h】

基于环境地图信息匹配的巡检机器人组合导航系统性能增强方法研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.2 国内发展现状及应用情况

1.2.3 智能巡检机器人发展趋势

1.3 论文主要研究内容及章节安排

第2章 组合导航系统的基本原理

2.1 引言

2.2 惯性/卫星组合导航技术

2.2.1 惯性导航算法与误差分析

2.2.2 卫星定位原理与误差分析

2.2.3 惯性/卫星组合模式

2.3 惯性/卫星组合导航中的卡尔曼滤波器原理

2.4 惯性/卫星组合导航算法设计

2.4.1 系统状态和量测的选取

2.4.2 惯性/卫星组合导航系统状态方程

2.4.3 惯性/卫星组合导航系统观测方程

2.5 惯性/卫星组合导航仿真分析

2.5.1 惯性器件传感器误差特性分析

2.5.2 实验仿真结果分析

2.6 本章小结

第3章 基于运动学信息融合的组合导航方案

3.1 引言

3.2 轮式机器人运动学约束辅助方法

3.2.1 轮式巡检机器人运动学分析

3.2.2 运动学约束辅助算法设计

3.3 轮式机器人零速约束辅助方法

3.3.1 基于惯性传感器的零速检测算法

3.3.2 零速约束辅助算法设计

3.4 GPS失效时运动学辅助INS方案

3.5 运动学信息融合的组合导航仿真分析

3.6 本章小结

第4章 结合地图匹配的巡检机器人导航方法

4.1 引言

4.2 用于定位导航的地图匹配原理

4.3 常用地图匹配算法简介

4.3.1 直接投影算法

4.3.2 基于概率统计的地图匹配

4.3.3 基于权重的地图匹配算法

4.4 基于巡检机器人导航系统的地图匹配算法改进

4.4.1 电子地图的网格化处理

4.4.2 误差范围的确定

4.4.3 匹配路段的选择

4.4.4 算法实现

4.4.5 算法复杂度分析

4.5 地图匹配算法在组合导航系统中的具体实现

4.5.1 基于.NET 2003的电子地图绘制

4.5.2 地图匹配算法的实验结果分析

4.6 本章小结

第5章 巡检机器人系统架构设计与实现

5.1 引言

5.2 轮式巡检机器人定位导航系统组成

5.3 系统的硬件体系结构

5.3.1 轮履式智能移动机器人

5.3.2 巡检机器人运动控制平台

5.3.3 巡检机器人数据采集组件

5.3.1 系统的软件体系结构

5.3.2 数据采集模块的实现

5.3.3 数据解算模的实现

5.3.4 人机交互界面

5.4 综合实验结果分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢

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摘要

随着机器人技术的大力发展以及巡检任务的复杂性,利用机器人替代人工巡检已经成为现实,并在电力系统中应用愈加广泛。机器人巡检既具有人工巡检的智能性和灵活性,同时又克服了人工巡检存在的安全隐患问题,还弥补了人工巡检时的效率和精度的不足,为电力设备巡检提供了一种全新的巡检方式和监测手段。智能巡检机器人融合了自主路径规划和基于多传感器融合的精准导航定位技术,以及图像识别、红外测温等非接触检测技术和移动物联等网络信息技术,其中导航技术是巡检机器人实现智能自主巡检的前提,是保证巡检质量和效率的必备条件。
  本论文在智能电网巡检的应用背景下,以适用于变电站的巡检机器人为载体,围绕INS/GPS组合导航与电子地图匹配的多信息融合的定位导航方法展开了研究。通过对现有的INS/GPS组合导航算法的分析,总结出尚且存在的不足以及需要改进的地方,提出了基于惯性导航的多种辅助修正方案,在GPS失效的情况下引入了运动学约束辅助和零速修正方法,并在此基础上增加了改进的地图匹配算法。
  论文首先研究了INS/GPS组合导航系统的工作模式和基本算法,克服单一导航系统的局限性,综合发挥了各导航系统的优点。为了提高在GPS失效情况下INS/GPS系统的定位精度,研究了将车辆运动学约束、零速约束条件作为新增的观测量辅助INS/GPS的方法。
  为进一步提高系统在GPS长时间失效、巡检机器人行驶时间过长情况下的导航精度,在常用的地图匹配算法基础上进行了算法改进,提出了基于权重的网格概率匹配算法,将电子地图进行网格化分,缩小了候选匹配路段的搜索范围;再根据划分网格的大小构建合适的误差区域,将基于权重的匹配算法与概率匹配算法结合起来,进一步减少候选匹配路段的数量,既提高了地图匹配算法的效率,又提高了匹配精度。
  在完成以上基于运动学辅助的组合导航算法和地图匹配算法的研究后,进一步设计实现了多信息融合的组合导航系统和软、硬件平台的研制,并进行了包括室内外的综合实验。该实验既验证了本文所研究算法的精度,又证明了所设计的多信息融合组合导航系统的实用性。

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