多传感器移动机器人姿态测控系统完好性检测研究与实现

摘要

移动机器人由于其结构简单、实用价值高而被广泛地应用于军事和民用领域。为了使机器人获得更高的可靠性和姿态精度，其姿态测控系统往往采用多传感器布局，并且配套相应的完好性检测算法。本文以此为研究背景，提出了一种基于五个单自由度陀螺仪的冗余配置方案。基于该方案构成的姿态测控系统，分析和验证两种传统完好性检测方法，并针对动态条件下使用传统主元分析方法无法检测传感器故障的问题提出了一种改进方法，最后通过实验加以验证改进方法的有效性。
　　首先，提出移动机器人的工程应用背景，通过分析机器人运行过程中存在的安全可靠性问题，引出本文姿态测控系统完好性检测的研究方向。同时介绍国内外有关提高姿态测控系统可靠性而设计的传感器配置研究现状，以及国内外有关传感器系统完好性检测方法的研究进展。
　　其次，从姿态测控系统的惯性传感器配置方案着手，重点分析了多个传感器配置原则。以提高姿态测控系统的安全可靠性，降低成本和易于实现等几个方面为出发点，设计五个单自由度惯性传感器冗余配置方案，并根据此方案研究其可靠性能和姿态估计精度。
　　再次，在五个单自由度惯性传感器构成的姿态测控系统基础上，介绍几种常见的传感器故障，概述经典广义似然比和主元分析方法的基本原理，并通过仿真实验验证这两种方法用于完好性检测所设计的姿态测控系统有效性。针对动态条件下传统主元分析方法无法对姿态测控系统完好性检测问题，提出了结合奇偶预处理的改进方法，通过仿真实验验证了该改进算法的有效性。其次，本文还根据等效原理将重构之后的陀螺仪角速率信息和加速度计信息经过提出的改进互补滤波算法进行信息融合，提高了机器人初始姿态角收敛速度，增强系统的可靠性。
　　最后，通过设计的硬件实验平台验证了改进主元分析方法的完好性检测性能。实验结果表明改进方法针对动态情况的姿态测控系统可以有效地检测出故障传感器。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 姿态测控系统多传感器配置的发展现状

1.3 完好性检测技术的发展现状

1.4 本文的主要内容及结构安排

第二章 基于完好性检测的惯性传感器配置方案

2.1 高可靠性配置方案设计理论

2.2 单自由度惯性传感器配置方案

2.3 配置方案性能评估

2.4 移动机器人姿态测控系统配置方案

2.5 本章小结

第三章 姿态测控系统完好性检测方法研究

3.1 惯性传感器故障类型及故障检测性能指标

3.2 基于广义似然比的完好性检测方法

3.3 基于主元分析的完好性检测方法

3.4 本章小结

第四章 姿态测控系统改进的完好性检测方法与信息融合

4.1 改进主元分析方法

4.2 惯性传感器信息等效方法

4.3 多种惯性传感器信息融合

4.4 本章小结

第五章 移动机器人姿态测控系统完好性检测实验验证

5.1 移动机器人姿态测控系统平台模块设计

5.2 姿态测控系统完好性实验分析

5.3 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 工作总结

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文