消防機器人GPS導航系統的精度提高方案

實際應用中，自適應卡爾曼濾波器需要一定的訓練序列與收斂時間，如果突然出現超出預計的誤差值（如GPS接收機進入信號陰影區域），不可避免會引入誤差，甚至可能導致濾波器無法收斂，得不到正確的解。如圖四所示，為使用[4]提供的自適應卡爾曼濾波算法，得到的機器人運行軌跡（Matlab仿真）。前20個測量點是自適應濾波器的學習過程，這時使用先驗的誤差參數;結束學習過程后，預測誤差有所減小。可以看到，在GPS接收良好的情況下，預計方位與真實方位擬合得相當好，但是進入陰影區域后，就引入偏差;經過自適應收斂過程后，降低誤差很大的GPS信息權重，軌跡曲線形態仍然相似，但是偏差已經無法挽回了。

　　消防機器人是遠程操控機器人，它的所有運動都是接收遠程指令，然后送執行機構執行，因此它的預期運動方向及方位是可精確獲知的。針對系統設計的這個特點，在傳感器信息進入自適應濾波之前，先進行判斷與加權，與系統預期值距離遠的數據獲得較輕的權重。如此，當GPS信號突然惡化，誤差加劇的時候，這部分誤差對濾波結果的影響很小，在濾波器收斂過程中不會引入很大的偏移，改進后的算法得到的預測軌跡如圖四中所示。由于GPS信息在估算中幾乎沒有影響，無法修正航位估算中的背離，因而經過一段時間的誤差累加，估計值會逐漸偏離真實位置，如圖中所示。

圖四 Matlab仿真結果

結論與展望

　　在GPS定位盲區，本系統利用電子羅盤和路程記錄進行精確方位的估算，能為遠程盲操控消防機器人提供較為準確的導航信息。實際應用中，利用路程記錄的小范圍短距離航位推算較為精確。但如果處于極端情況下，即在長時間接收不到正確的GPS定位信息，缺少定位基準點的情況下，方位推算將逐漸出現偏移。

　　電子羅盤主要用于指示航向，如改用慣性陀螺儀就可以避免外界磁干擾，增加系統強壯度，但要周期性修正陀螺儀偏移;如果使用光電相對位移傳感器來測量機器人與地面的相對移動，就可以大大提高航位估算的精度，并且避免由于驅動輪打滑等引起的計算誤差，但由于目前光電傳感器對使用環境要求較為苛刻，有待進一步的改進。