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1、GPS在移动机器人导航中的应用摘要:GPS导航系统是最常用的卫星导航系统之一。该系统具有高精度、实时性、全天候、多用途等优点。在室外移动机器人导航中GPS已经得到了广泛的应用。本文首先介绍了GPS系统的定位导航原理与影响定位精度的因素,而后着重阐述了GPS系统在室外移动机器人的导航中的应用情况。最后结合实际情况预测了GPS在室外移动机器人导航中的发展趋势。 关键词:GPS移动机器人导航综合导航系统 :TP242:A:1007-9416(2011)04-0035-02 1、前言 随着科技的发展,移动机器人在很多领域中的都扮演着越来越重要的角色。在移动机器人的诸多
2、应用中,导航系统的性能在很大的程度上决定着机器人工作的好坏。一个准确的、稳定的导航系统是移动机器人完成任务的先决条件和重要基础。因此移动机器人导航系统得到了广泛的关注和深入的研究。 移动机器人导航系统有很多种,例如航迹推算导航系统、惯性导航系统、无线电导航系统等等。GPS系统以其高精度、实时性、全天候、多用途等特点,近些年来被广泛应用于室外移动机器人的导航中[1-3]。GPS导航系统是最常用的卫星导航系统之一。起初GPS系统主要应用于军事领域中。随着美国取消了SA政策,民用GPS的精度得到了很大的提高。将GPS系统应用到民用领域成为了研究的热点。然而,尽管SA政策的取消
3、在很大程度上提高了民用GPS的精度,但是民用GPS的误差依然很大,静差在15米左右。因此单一的单频GPS无法为室外移动机器人提供准确的导航信息。差分GPS(DGPS)可以提供精确的导航信息,其精度可以达到厘米级。因此,差分GPS经常被用于为室外移动机器人提供导航信息。但是,差分GPS的价格很高,而且需要一个基站为其提供差分信息,所以在商业上很难得到推广。为了得到准确和稳定的导航信息,经常多种导航系统被综合使用。对于综合导航系统来说,适当的导航信息融合算法是很重要的。卡尔曼滤波是一种常用的数据融合方法。本文首先介绍了GPS系统的导航原理和影响GPS定位精度的因素,然后阐述了
4、GPS系统在室外移动机器人导航中的应用,最后提出了室外移动机器人导航系统的发展趋势。 2、GPS导航系统 GPS最初是应用于军事领域中,现在已经广泛地应用到民用导航服务中。在天空中至少同时存在24颗GPS导航卫星在工作。每颗卫星都连续的向外发送包含着其位置和当前发送时间的信息的数据。GPS导航卫星同步它们的发送,使得它们都在同一时间发送信号。当GPS接收机接收到来自GPS导航卫星的数据时,利用信号发送的时间可以计算出GPS接收机和每颗卫星的距离。GPS接收机就利用这个计算出的伪距来进行定位[4]。当GPS接收机接收到超过4颗GPS卫星的信号时就可以计算其当前的位置
5、了。 GPS定位的精度依赖于接收到的卫星的位置和信号传送时间的精确程度。在GPS定位导航应用中,主要的目标是基于GPS接收机与导航卫星间的距离计算出接收机尽可能准确的位置信息。由于GPS系统是在室外环境中工作的,因此存在很多影响GPS定位精度的因素。这些因素包括GPS接收机与导航卫星的时钟偏差、大气层和电离层的影响、多路径效应和接收机噪声等。接收机与导航卫星间的相对位置也对GPS定位精度有影响。对于二维导航应用来说,参数HDOP用来表示导航卫星与接收机的相对位置对精度影响的程度。其相对位置越理想则HDOP的值越小。 差分GPS可以提供小于1米的定位精度。基于从差分GP
6、S基站发来的差分信息,有几种方法去实现差分模式。最直接的方法是,有一个基站和一个移动的GPS接收机,然后通过实时分析基站与GPS接收机接收到的卫星信号来得到差分后的准确的定位结果[5]。差分GPS可以提供非常准确的定位导航服务,但是差分GPS的价格非常昂贵,并且如果不能接收到来自基站的差分信息,则差分GPS的精度会大幅度下降。 3、GPS在移动机器人导航中的应用 在室外移动机器人导航中,GPS得到了广泛的应用。由于民用GPS的定位误差比较大,因此很多关于提高GPS定位精度的方法被提出来。文献[6]通过对GPS接收机进行二次开发提出了一种在侦察机器人系统中应用的GP
7、S／电子地图组合定位技术。文献[7]针对移动机器人定位及导航问题,提出了一种采用低成本非差分GPS获取移动机器人实时位姿信息的方法。 单频GPS的定位误差比较大,很难为机器人提供足够准确的导航信息。差分GPS可以提供非常精确的导航信息,因此在很多的室外移动机器人导航中都用到差分GPS。文献[8]利用精度可以达到厘米量级的差分GPS为无人值守变电站设备巡检机器人提供导航定位的信息。文献[9]提出了一种基于差分GPS定位传感器的农业机器人导航控制系统。论述了农业机器人的软硬件设计和差分GPS导航的工作原理,提出了一种利用航向跟踪
