基于UWB/IMU组合的AGV导航技术研究

摘要

自动导引运输车AGV(Automated Guided Vehicles)是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备，是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一。而导航定位技术则是AGV上的焦点技术之一，在仓储物流等复杂的环境中，需要准确的得到自身的位置。传统的GPS在大多数AGV的应用场合下无法发挥作用，为此出现了如蓝牙、超声波、RFID等技术，但无论是定位精度还是系统功耗都无法满足应用环境的需求。为此应当考虑使用两种或两种以上的导航技术来应对新的导航需求，在提高的定位精度的同时也可以提高系统的可靠性。
　　论文首先介绍了超宽带UWB(Ultra Wide Band)和基于微机电系统的MEMS(Micro Electro Mechanical System)传感器的导航定位技术的工作原理，分析了两种定位方式的特点，针对二者的特点提出将其进行组合定位的方法，对两者组合定位技术进行了详细的研究。
　　其次，针对组合导航系统应用在AGV上的运动学特性和动力学特性进行分析，建立相应的数学模型;分析了惯性器件的误差，对其进行建模;分析了影响超宽带定位精度的因素，并对主要的两种因素进行建模分析。
　　接着，提出了松组合和紧组合的UWB/IMU组合的导航算法，算法将惯性测量单元和UWB测量信息进行融合，提高了非视距和多路径条件下的AGV定位精度。通过仿真实验得出，松组合系统在超宽带信号正常期间可以正常工作，在超宽带信号异常期间位置和速度会产生较大的误差;使用RTT距离测量信息的紧组合系统，虽然在超宽带信号异常期间位置和速度误差会产生误差，但相较于松组合而言误差更小，且超宽带信号正常期间的定位性能优于松组合。
　　最后，考虑到AGV实际运行中的中低速性和平稳性，提出了一种基于不完全约束量测方程的组合导航算法，在外部观测量中引入了横向和竖向的速度误差以及姿态角，增强了系统的可观测性。通过车载实验的数据分析得出，在采用松组合方式时，组合导航系统位置的最大误差可达1.5m，速度最大误差达1.9m/s;采用不完全约束的量测方程时，位置的最大误差可达1.1m，速度最大误差达1.6m/s。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2国内外研究发展现状

1．2．1 UWB技术的国内外研究现状

1．2．2 IMU技术的国内外研究现状

1．2．3组合导航定位的国内外研究现状

1．3主要研究内容

第2章UWB导航基础理论

2．1．1 UWB信号概述

2．1．2 UWB技术的特点

2．2UWB定位技术

2．2．1 AOA定位法

2．2．2 RSS定位法

2．2．3 TOA定位方法

2．2．4 TDOA定位方法

2．3 UWB定位精度的影响因素

2．4本章小结

第3章AGV运动学建模和误差分析

3．1 AGV运动学建模分析

3．1．1车辆运动特征分析

3．1．2车辆运动学建模

3．1．3车辆动力学分析

3．1．4车辆动力学建模

3．2惯性系统的误差建模

3．2．1姿态误差角方程

3．2．2速度误差方程

3．2．3位置误差方程

3．2．4惯性仪表的误差模型

3．3．1 UWB误差判定标准

3．3．2超宽带定位距离误差建模

3．4本章小结

第4章UWB／IMU组合方式研究

4．1．1松组合导航算法原理与结构

4．1．2系统状态方程和量测方程

4．1．3系统状态更新

4．1．4松组合导航结果误差修正

4．2 UWB／IMU紧组合导航算法

4．2．1 RTT距离测量模型

4．2．2系统状态方程

4．2．3系统量测方程

4．3数据融合算法验证

4．3．1松组合导航算法验证

4．3．2紧组合导航算法验证

4．4本章小结

第5章基于AGV的UWB／IMU组合导航系统设计

5．1基于不完全约束条件的量测方程

5．2实验系统设计

5．2．1实验方案设计

5．2．2软件的总体功能

5．3系统测试实验

5．3．1 UWB信号穿墙定位测试

5．3．2基于不完全约束量测方程的UWB／INS松组合的AGV导航系统测试

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢