基于移动机器人的GPS轨迹生成及定位研究.pdf

第 4 2卷 第 1 期 2 O 1 6年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 J a n ．2 01 6 ’ ”。 ；实验研究 _． ． ． ． ◆ ◆ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 1 7 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 6 赵建伟 ， 王洪燕 ， 唐 兵， 等． 基 于移动机 器人 的 GP S轨迹 生成及定 位研究 t J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 7 1 9 ． 基于移动机器入的 G P S轨迹生成及定位研究 赵 建伟 ， 王 洪燕 ， 唐 兵 ， 杨 中亚 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 根 据 GP S工作 原理 ， 设 计 了 GP S定位 模 块 ， 并 将 其应 用 于移 动机 器人 的 定位 及 导航 中。分 别 在 室外和 室 内对安 装 有 GP S定位模 块 的移 动机 器人 进行 实验 ， 设 定起 点 和终 点 ， 使 机 器人 通 过 实验 路段 。将 室外 实验 结果 文件 导入谷 歌 地 图 中， 可在谷 歌地 图上 生成机 器人 运动轨 迹 并 实时观 察到机 器人 所 处的位 置 ； 采 用 Ma t l a b对 室 内实验 结果进 行 处理 ， 结果表 明 GP S定位 模块 可在 室 内实现 移动 机 器人 路 径 回放 功 能 。 关 键 词 移 动机 器人 ；G P S ；定位 ； 轨 迹 生成 ； 路 径 回放 中图 分类 号 TD 6 7 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 5 5 2 ． 0 0 6 ． h t ml Re s e a r c h o f GPS t r a c k g e ne r a t i o n a nd l o c a t i o n b a s e d o n mo bi l e r o b o t ZHAO J i a n we i ， W ANG Ho n g y a n， TANG Bi n g， YANG Z h o n g y a S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Abs t r a c t GPS l o c a t i on m o du l e wa s de s i g ne d a c c o r d i ng t o GPS pr i nc i p l e a nd a p pl i e d i n l o c a t i o n a nd na vi ga t i o n o f m o bi l e r ob ot ．So m e t e s t s we r e do ne a bo ut t h e m o b i l e r ob ot wi t h t he GPS l o c a t i o n mo du l e i n do o r s a n d ou t d oo r s t hr ou gh s e t t i n g s t a r t i n g p oi nt a n d d e s t i n a t i o n o f m o v i ng pa t h o f t he r ob ot ．The r e s u l t f i l e o f o u t d o o r t e s t i s i n t r o d u c e d i n t o Go o g l e ma p s ，S O a s t o g e n e r a t e mo v i n g t r a c k a n d o b s e r v e l o c a t i o n o f t h e r o b o t i n Go o g l e ma p s r e a l t i me l y ．Th e i n d o o r t e s t d a t a i s p r o c e s s e d b y Ma t l a b wi t h a r e s u l t s h o wi n g t he GPS l o c a t i o n m o du l e c a n r e a l i z e p a t h r e pl a y i n g f un c t i on o f t he mo bi l e r o bo t i nd o or s． Ke y wo r d s mo bi l e r ob o t；GPS；l o c a t i o n；t r a c k ge ne r a t i o n；p a t h r e p l a yi n g 0 引言 机 器人 被 越来 越多 地应 用在 复杂 环境 的探 索 工 作 中 。机 器人 要 实 现在 复杂 环 境 中漫 游 与 避 障 ， 应 具有 自主建立环境地图、 传送地 图的能力 ， 如果要完 成 某 些特 定任 务 ， 还 应 具 有 远 程 遥 控 操 作 能力 。而 机器 人 的路 径 回放 及机 器人 实 时 位 置 的确 定 ， 有 助 于机器人避障及环境定位功能的实现。 在 其他 条 件 不 变 的前 提 下 ， 可 通 过 增 加机 器 人 的运行时间和观测次数来 提高地图的估计精度_ 1 ] 。 本 文通 过在 移 动 机 器 人 的 运 行 过 程 中增 加 高 精 度 GP S定 位模 块 ， 实 现 机 器 人 的 轨 迹 生成 、 路 径 回放 及 定位 功能 。 GP S是一种具有全方位 、 全天候、 全时段 、 高精 度 的卫 星导 航 系统 ， 由空 间部分 、 地 面控制 部分 以及 用 户部 分组 成 。空 间部分 主要 使地 面上 任意一 点 随 时随地观测到 4颗以上卫星| 2 ； 地面控制部分用 于 收集卫星传 回的信息 ， 获取必要 的导航和定位信息 ； 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 I - 0 6 ； 修 回日期 2 0 1 5 1 2 2 2 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中 国博士后科学基金资助项 目 2 0 1 2 M5 1 0 4 2 4 ； 中央高校基本科研业务费专项基金资助项 目 8 0 0 0 1 5 F H 。 作者简介 赵建伟 1 9 7 9 一 ， 男 ， 内蒙古临河人 ， 讲师 ， 博士 ， 研究方向为机器人 ， E - ma i l 1 1 2 6 7 3 9 8 5 8 q q ． c o rn。 1 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 用户部分则根据地面控制部分计算 出的数据 ， 按 照 定位 解算方 法确 定用 户 所 在 地理 位 置 的经 纬度 、 高 度、 速度、 时间等 ] 。GP S系统工作原理 地面控制 部分 测量 出多个 已知 空间位 置 的卫星到 用户 接收 机 之间 的距离 及角 度 等信 息 ， 综 合 多颗 卫 星数 据 即 可 计算出机器人所处的具体位置。 本文设 计 的移动机 器人 可通 过融合 复杂 环境 中 的各种传感器信息， 实现对 自身运动的闭环控制及 在复杂环境 中的避 障功能 ； 通过安装 GP S模块 ， 可 实现在复杂环境下的自主漫游功能_． 4 ] 。 匝 困 馐‘ 一 ； I 皇 鎏皇 垄I I 皇 皇 查I 底盘模块 ； 图 1 移动机器人电器系统结构 底 盘模 块采 用带 编码器 的空 心杯减 速直 流 电动 机 2 3 4 2 L 0 1 2 ， 其 额 定 电 压 为 1 2 V， 输 出 功 率 为 1 7 w， 输出转矩大， 减速比高 ， 用于智能小车中转速 反馈控制时可使转速稳定性高。传感器模块包括红 外传感器和超声波传感器 ， 采用复合滤波算法使机 器人具有 良好 的避 障功能_ 6 ] 。GP S定位模 块协助 机器 人 实现地 图生 成 和定 位 的功 能_ 7 u 8 l 。臂 部 模 块 为安 装有 金属材 料 的机械 臂和机 械 手 ， 在 G P S定 位 基础上实现固定位置取放材料功能 。 2基 于 GP S的轨 迹生成 及定 位 本 次 实 验致 力 于通 过 扩 展 板 的模 块 化 和轻 量 化，实 现 移 动 机 器 人 更 多 功 能 ，因 此 选 用 Mi c r o d u i n o扩 展 板 ， 功 能 模 块 可 相互 堆 叠 ， 即插 即 用 ， 使 扩展 板 的功 能 迅 速得 到 扩 展 。Mi c r o d u i n o扩 展板 包含 核 心模 块 、 G P S定 位模 块 、 记 录模 块 、 电池 模块 、 显 示模块 。 2 ． 1 GP S定位模 块 组成 G P S定位模块由GP S天线 、 电源、 变频器、 信号 处理模块、 应用处理模块等组成 ， 如图 2所示 。软件 部分包括内软件和外软件， 内软件是指 G P S单点定 位软 件或 固化在 中央处 理 器 的 自动操 作 程序 等 ； 外 软件 是指 GP S数 据处 理程 序 。 一 ．． 曼 ⋯ 一 坚 ⋯一 j 图 2 GP S定位模块组成 电源开 启后 ， GP S天 线接 收卫 星 发射 的 电磁 波 信号 ， 捕获到按一定卫星高度截止角选择的待测卫 星信 号 ， 并 跟踪 这些 卫星 ， 获得 必要 的导航 和定 位信 息及 观 测 量 ； 变 频 器 和 信 号 处 理 模 块 对 接 收 到 的 GP S信号进 行 变换 、 放 大 和处 理 ， 测 量 出 GP S信号 从卫星到 GP S天线 的传播时间 ， 解译 出 GP S卫 星 所 发送 的导航 电文 ， 实 时计 算 出移 动 机 器 人 的 三维 位 置 ， 甚 至三 维速度 和 时间 。 2 ． 2 GPS定 位 模 块 连 接 图 3 为 GP S定 位模 块 引 脚 连 接 。G P S定 位模 块 电压 供 电范 围 为 3 ． 3 ～5 V， 将 G P S定 位模 块 与 Mi c r o d u i n o扩展板的其他模块进行串 口匹配， 1 P P S 作为 秒 脉 冲 输 出引 脚 。Mi c r o d u i n o扩 展 板 默 认 与 G P S定 位模块 的 串 口通 信 引脚 为 RX A， T XA， 用 于 与外 界端 口连 接 。US B端 口 US B D P， VD D 作 为 与 P C机传输数据的实际接 口。GN D为接地线， 引 脚 1 8 ， 2 O ， 2 2须连接在一起 。B OO T引脚在正常工 作 时不需 要连 接 ， 悬 空 即可 。 l US B DM GND 2 0 2 US BD P RF I N 1 9 3 1 P P S G ND 1 8 d 1 7 5 RXA Vo UT 1 6 T XA VC C RF 2 1 GND GND 2 2 6 1 5 I D USBDM DM 漂 USBDP DP 14 VDD BOOT l3 RF IN CIN ON／ OF VBA T 图 3 GP S定 位 模 块 引 脚 连 接 2 ． 3 GPS漫游 实验 将安装好 GP S定位模块的移动机器人置于人 流稀 疏 地 段 ， GP S定 位 模 块 可 自行 供 电 ， 上 电 后 红 色 L E D闪烁 。按 下 启 动 键 ， G P S定 位 模 块 的 绿 色 L E D闪烁 ， 表示该模块 已连上卫星， 按下 S D卡启动 键 ， S D 卡开始 读 取 GP S数 据并 记 录 。选 择运 动 场 2 0 1 6年 第 1 期 赵 建伟 等 基 于移 动机 器人 的 GP S轨 迹 生成及 定 位研 究 1 9 作 为本 次实 验 的起 始点 ， 图 书馆作 为终 点 ， 总距 离约 为 1 0 0 0 m， 实 验 过 程 持 续 约 3 O rai n 。该 机 器人 自 带 避 障功 能 ， 可 避免 运行 过 程 中发生 碰撞 。 为确保实验结果 的准确性 和有效性 ， 进行 3次 实 验 ， 除 不 可 抗 拒 因 素 外 ， 实 验 环 境 完 全 相 同 。 第 1次实验结束后， 按下结束键切换至下一段记录， 连续运行 3次， 并取最优结果。最后关闭电源， 结束 实验 。 在 实验 过程 中 ， GP S定位 模 块 显 示器 可 显 示 时 钟 、 经纬度 、 运行速度 、 连接卫星个数 、 海拔高度 、 信 号 强度 等信 息 ， 便 于观测 。 2 ． 4基 于谷歌 地 图的 室外 运动轨 迹 生成 实验 中自动生成的存储文件 以特定的地图格式 置 于存 储 器 中 ， 文 件 名 可 自行设 置 。生 成 的 数 据 流 以 G P X格式 文 件 存 储 于 GP S定 位 模 块 的 存 储 器 中 ， 数 据 流 信 息 包 括 时 间 、位 置 、速 度 等 ，由 Mi c r o d u i n o扩展板进行处 理， P C机只需接 收处理 后 的数据 进行 绘 图 即可 。 将 实 验结 果 导 入 谷 歌地 图 中 ， 即可 在谷 歌 地 图 上 A动 生成 移 动 机 器 人 的 运 动 轨 迹 ， 如 图 4所 示 。 点击 运动 轨 迹 的任 意 一 点 即 可显 示 该 点 的经 纬 度 、 海拔高度 、 运行速度 等。GP S定位模块的单点定位 精度 约 为 3 ～ 5 m， 实验 结 果在 速度 和 路线 上有 细微 差别 ， 但 可 表 明移动 机器 人能 够实 现路 径 回放功 能 。 若对移动机器人进行适 当控制， 可实现机器人在未 知 环境 下 的 自主漫 游 。 图 4移 动 机 器 人 室 外 运 动 轨迹 2 ． 5 基 于 Ma t l a b的 室 内机 器人路 径 回放 在相 同的环境下进行 3次室内实验 ， 取最优结 果 。机器 人 沿实 验室 墙边 自行 漫游 ， 运 行完 毕后 ， 采 用 Ma t l a b软 件 将 其 结 果 进 行 回放 并 处 理 ， 结 果 如 图 5所示 ， 其 中 z， Y分 别 为横 向 、 纵 向坐标 。 采用最小二乘法拟合实验结果 ， 经 Ma t l a b处理 后 ， 路径 回放 结果 符合 实 际情 况 。可 见 G P S定 位 模 块 在室 内也 可实 现 路 径 回放 功 能 ， 并 协 助机 器 人 实 现定位及避障。 a 路径 回放 b 路径处理结果 图 5 基于 Ma t l a b的室 内机器人路径 回放及处理结果 3 结语 通过对移动机器人 的 GP S轨迹生成及 定位进 行实 验研 究 ， 实现 了 移动 机 器 人 在 复 杂环 境 中的 漫 游及 运动 路径 回放 功 能 。通 过 GP S定 位 模 块 对 移 动 机器人 进行 实 时定 位 ， 在 定 位 精 度 方 面需 要 进 一 步加强 。下一步将改进机器人外形及优化性能 ， 使 该 机器人 实 现更 多功能 。 参考文献 [ 1 ] 张小红 ， 郭 斐 ， 李 星 星， 等． G P S ／ G L ON AS S组 合 精 密 单点定位研 究E J ] ． 武 汉 大学 学报 信息 科 学版 ， 2 0 1 0 1 9 - 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