智能小车的惯性定位

(东南大学信息科学与工程学院 江苏 南京 210000)

目前，随着智能车辆的出现和进一步研发，GPS全球定位系统和惯性导航成为车辆定位领域的两大主要技术。其中GPS技术，当遇到遮蔽时，会出现无法搜索卫星定位的情况。而惯性导航技术则因其依赖性弱，隐蔽性强，更新率高，短期精度和稳定性好的特点，被认为是最有发展前途的一种导航系统。惯性导航系统是一种利用惯性传感器测量载体的比力及角速度信息，并结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统，属于一种推算导航方式。目前，还未有任何一种其它导航手段能够完全代替惯性导航系统，这也是当今国内外军事技术发展的热点之一。

1 基于陀螺仪和加速度器进行惯性定位的基本原理

1.1惯性定位的基本原理。常规惯性定位系统采用加速度计和陀螺仪传感器来测量载体参数，其中，陀螺仪用来形成一个定位坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次和分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离，从而达到对载体导航定位的目的。

捷联惯性导航系统是将惯性器件陀螺仪、加速度计构成的惯性测量单元直接与载体固联，测量得到的载体角速度与线运动参数是沿载体固联的坐标轴上的分量。导航计算机通过计算“姿态矩阵”可以将加速度信息转换到惯性坐标系或当地地理坐标系，从而实现“数学平台”，然后再进行速度及位置计算。

1.2加速度计原理。加速度传感器利用重力加速度，可以检测设备的倾斜角度，加速度计在惯性参照系中用于测量小车的线加速度，但只能测量相对于小车运动方向的加速度。通过以惯性参照系中小车初始方位作为初始条件，对加速度进行积分运算，就可以时刻得到小车的相对位移。

1.3角速度传感器-陀螺仪原理。在四轴上安装陀螺仪，可以测量四轴倾斜的角速度，将角速度信号进行积分便可以得到四轴的倾角。由于陀螺仪输出的是四轴的角速度，不会受到四轴振动影响。

加速度计在较长时间的测量值是正确的，然而在较短时间内由于信号噪声及运动方向加速度的存在，会有很大的误差。陀螺仪测得的是角速度，在较短时间内则比较准确，而较长时间则会有积分漂移产生误差。因此，需要两者相互调整融合来确保姿态角的正确。

2 方案设计

本文选择使用MPU6050传感器、超声波、蓝牙器件，并利用Arduino平台和捷联式惯性导航方式来实现小车的定位。

2.1、数据获取及传输。将MPU6050传感器直接与小车固联，利用MPU6050六轴运动处理模块，首先采集三轴加速度，将数据传回计算机平台用于计算欧拉角。

使用Arduino平台来完成运行算法代码的编写，用于控制智能小车的运动、自动避障以及进行传回数据的计算。

利用超声波简单易用、性能稳定、灵敏度高、测距距离精确的特点进行小车的测距，实现自动避障。

安装蓝牙用于小车与电脑的通信实现数据传输。

2.2、数据处理。由惯性定位原理可以通过测量的加速度来计算小车的相对位移，为了实现更精准的定位，继续研究陀螺仪和加速度计的误差模型。通过分析可以提出误差模型，进行误差补偿。影响陀螺仪误差的主要因素是零点漂移误差，而影响加速度计误差的主要因素是温度漂移误差。

陀螺仪误差模型为：

ɛh=εc+ ɛr+ ɛg(1)

其中， ɛc为零点偏移， ɛr为随机白噪声，均方差为常值 ɛg为阶马尔科夫过程漂移。

加速度计误差模型为：

λ=λr+ ɛa(2)

其中：λr为温度漂移，均方差为常值 ɛa为以及随机马尔科夫过程漂移。

通过计算可得出加速度计的综合误差是：

又根据陀螺仪角度计算公式可以得到陀螺仪角度误差为：

最后将处理过后的数据传入串口中，并存储在.txt文件中用Matlab读取和处理，在Matlab中将传入数据进行压缩并画出轨迹图。

3 成果展示

实验结果为小车可以通过遥控器行走并将其轨迹在电脑上显示，通过结果图可看出小车能够实现自动避障和定位的功能。

4 总结

虽然惯性定位系统长期的精度性还有待提高，但对于小车这样的小范围内运动的机器来说，基于陀螺仪和加速度计的惯性自主定位导航系统，不仅定位可靠，精度也较高，并且价格低廉，可以应用

于GPS盲区对汽车的定位或室内轮式巡航机器人的定位与导航。惯性传感器技术的不断发展和优化使惯性导航系统正向小型化、捷联化、组合导航的方向发展。多系统融合，自动故障检测、隔离，智能导航和友好的人机交互界面将是未来导航系统的特点。由此可见，惯性定位导航系统具有巨大的发展潜力，会在未来导航定位系统中扮演重要角色。