移动目标位姿同步跟踪技术研究

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1、2014年10月农业机械学报第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．008*移动目标位姿同步跟踪技术研究罗成名李威杨海应葆华(中国矿业大学机电工程学院，徐州221116)摘要:以农业车辆或者采矿装备等移动目标为对象，以实现移动目标在未知环境中自主运动为目的，进行了基于三轴加速度和陀螺仪的移动目标位姿同步跟踪研究。首先建立移动目标运动学模型，探寻姿态角与位置解算的耦合规律，利用加速度和角加速度进行位姿导航参数计算，并在搭建的定位原型系统上对所提定位定姿算法进行验证。实验结果表明，静态

2、测试时横滚角φ、俯仰角β及偏航角θ的误差分别为0.33°、0.26°和0.38°，动态测试时姿态角跟踪误差分别为1.01°、0.64°和0.83°;静态测试时三维加速度下的平均位置误差分别为0.76、0.52和0.56m，利用零速校正消除了运行时的累计误差，能够对移动目标运动轨迹进行有效跟踪。关键词:移动目标定位定姿自主跟踪精度分析+中图分类号:V249.322;TP242文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)10-0047-06息比较匮乏，容易受到复杂地形干扰，无法得到移动引言［10］目标精确的位置和姿态。因此，

3、需要研究一种更移动目标精确定位定姿技术，能够在面对复杂加实用有效的方法，能够实现移动目标在未知环境［1］［11］任务时进行自主运动，已经获得了广泛的应用。中的位置和姿态的同步输出。文献［12］对移动在农业工程中，位姿检测是灌溉施肥、农作物智能种目标车轮安装车轮编码器和三轴加速度计，通过连［2］植采摘以及车辆导航等精准农业的重要分支;在续的三维测距来构建机器人移动目标在三维地图中地下采矿工程中，综采工作面跟机自动化、采煤机记的位置。文献［13］针对移动机器人同时定位与地忆截割以及巷道人员定位等需要精确的位姿参图创建方法，采用无迹粒子

4、滤波方法来增强移动目［3］数;在其他领域，多机作业、智能调度及飞行器导标定位精度，同时提高了定位的实时性。由于传感航等需要移动目标按照功能需求移动到预定目的器测量过程中存在噪声，文献［14］采用Kalman滤地，定位定姿技术为其提供重要的支持，使得移动目波来消除测量误差，提高移动目标的定位精度。由［4］标精确定位定姿已经成为活跃的研究领域。于移动目标倾斜引起的位置误差不具有高斯统计特在移动目标上安装GPS接收器，能够获得移动性，要在定位解算过程中耦合姿态信息，才能对移动［5］目标的运动位置，但其定位精度不高，在矿山或目标的位置进行

5、精确的估计。室内等封闭环境下GPS无线信号容易受到遮蔽，无本文在移动目标运动过程中，利用载体自身惯［6］法为移动目标提供连续的位置服务。因此，很多性信息进行定位，无需向外辐射能量，采用直接固定学者研究了不依赖于GPS(GPS-free)的定位方法，在移动目标上的三轴加速度传感器和陀螺仪，实时［7］［8］［9］其主要有里程计、视觉导航以及激光测距等采集加速度和角速度，根据实时解算同步得到移动方法。里程计法只能提供位置信息而无法获得姿目标三维位置和姿态。态，视觉导航容易受到光照不均、图像变形等干扰使1移动目标位姿解算位姿解算精度及稳定

6、性较差，而激光测距通过激光往返时间来计算相对距离，容易受到障碍物的遮蔽1.1定位原理而失效。在农田或者矿井等起伏地面，将三轴加速度计在农田或者矿井等未知环境中，由于土壤条件和陀螺仪安装在农业车辆或者采矿装备等移动目标多变及作业艰苦，移动目标能够获取的周围环境信上，经过测量得到移动目标的三轴线加速度和角速收稿日期:2014-05-06修回日期:2014-07-05*国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2013AA06A411)、江苏高校优势学科建设工程资助项目和江苏省研究生培养创新工程资助项目(KYLX_1374)作者简介

7、:罗成名，博士生，主要从事移动目标协同定位研究，E-mail:chengmingluo@yahoo．com通讯作者:李威，教授，博士生导师，主要从事机电系统智能控制及检测应用研究，E-mail:cmeecumt512@yahoo．com48农业机械学报2014年度，需要将机身坐标变换到全局参考坐标系，同时对移动目标姿态、速度及位置进行初始化，经过计算机实时计算处理能够获得移动目标的运动轨迹，其原理图如图1所示。本文所提的采用加速度和陀螺仪进行移动目标定位定姿方法，相对GPS定位在封闭空间中具有更高的适应性，而且较图像视觉传感器不受

8、光线强弱的影响，具有较好的稳定性和定位精度。图2移动目标运动学建模Fig．2KinematicmodelingformobiletargetéC11C12C13ùêúêC21C22C23ú=êú图1移动目标定位定姿原理图ëC31C32C33û222