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大型运载车平台自主定位关键技术研究

作　者: 韩同辉
导　师: 顿向明
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 运载车激光雷达拟合自主定位卡尔曼滤波
分类号: TH22
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大型运载车平台是一种广泛用于重型设备运输的特殊装备。随着相关工程机械技术的不断进步和工程建设需求的提高,大型运载车等装备的研究开始朝着智能化的方向发展。大型运载车的自主定位技术就是其中的一个重要内容。而普遍的基于GPS,惯性组合等方法的车辆定位由于其自身的限制,并不适用于稳定性和精确性等要求较高的大型运载车定位环境,因此结合大型运载车平台特点的自主定位技术研究对大型运载设备的智能化发展有着重要意义。本文在对运载车平台结构及其定位特性分析的基础上,提出了基于激光雷达特征识别和信息融合技术的自主定位方法。本文的研究主要包含三部分内容:1.基于对LMS111激光雷达测量原理和数据特点的研究分析,应用聚类-拟合算法实现了信标特征识别。该算法的基本思想是根据激光雷达二维扫描的距离图像对原始测量数据进行聚类分组,然后分别进行线段的正交回归拟合与圆弧检测,按照一定的匹配准则进行组合信标匹配,最后进行特征识别实验对该算法的性能进行了验证。2.建立了运载车定位系统的位姿估计模型。根据运载车的定位系统工作原理分析,建立了系统的状态及观测模型。基于激光雷达预处理数据和运载车转向角反馈信息,应用扩展卡尔曼滤波器实现了多信息融合的位姿估计,通过室内模拟实验对该方法的稳定性及其对随机噪声的抑制进行了验证。3.完成了定位系统实现与整车定位实验。基于研究验证的自主定位方法,本文设计了运载车自主定位系统的结构方案,并结合实际的大型运载车平台完成了系统定位功能、人机交互、系统监控等模块的软硬件实现。最终在该系统上进行了全过程的自主定位实验,大量的实验结果表明了本文所述的自主定位技术方案的可行性和可靠性,为今后大型运载车自主定位技术的深入研究提供了一定的借鉴。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 课题背景与意义  9-11
  1.2 自主定位技术研究现状概述  11-14
    1.2.1 相对定位  11-12
    1.2.2 绝对定位  12-14
  1.3 大型运载车平台描述  14-17
    1.3.1 运载车平台结构  14-16
    1.3.2 大型运载车定位特点分析  16-17
  1.4 本文的内容与结构  17-18
  1.5 本章小结  18-19
第二章基于激光雷达的信标识别技术  19-38
  2.1 激光雷达的测量特性研究  19-24
    2.1.1 激光雷达测量原理  19-21
    2.1.2 激光雷达测量特性分析  21-24
  2.2 环境几何特征识别  24-31
    2.2.1 特征识别方法  25
    2.2.2 数据聚类分组  25-26
    2.2.3 线段识别  26-30
    2.2.4 圆弧特征检测  30-31
  2.3 特征匹配  31-33
    2.3.1 基于马氏距离的特征匹配  32
    2.3.2 区域搜寻  32-33
  2.4 特征识别实验  33-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章基于多信息融合的位姿估计  38-53
  3.1 随机估计方法  38-41
    3.1.1 状态估计  38-39
    3.1.2 卡尔曼滤波器  39-41
  3.2 基于信标定位的运载车系统模型分析  41-45
    3.2.1 运载车运动状态模型  42-44
    3.2.2 运载车系统观测模型  44-45
  3.3 基于 EKF 的定位算法  45-48
    3.3.1 非线性滤波  46
    3.3.2 EKF 位姿估计实现  46-48
  3.4 位姿估计模拟实验  48-51
  3.5 粒子滤波应用的初步研究  51-52
    3.5.1 贝叶斯滤波思想  51
    3.5.2 粒子滤波算法  51-52
  3.6 本章小结  52-53
第四章运载车定位系统设计与实现  53-66
  4.1 定位系统设计方案  53-57
    4.1.1 系统结构  53-55
    4.1.2 系统硬件  55-57
  4.2 定位系统上层软件设计  57-62
    4.2.1 激光定位系统  57-60
    4.2.2 监控软件实现  60
    4.2.3 定位软件测试  60-62
  4.3 数据通信  62-65
    4.3.1 激光雷达Ethernet 通信  62-63
    4.3.2 CAN 总线  63-65
    4.3.3 串行RS485 通信  65
  4.4 本章小结  65-66
第五章运载车整车定位实验与分析  66-82
  5.1 实验环境描述  66-67
  5.2 整车定位实验  67-73
    5.2.1 激光定位实验与分析  67-70
    5.2.2 联合定位实验与分析  70-73
  5.3 定位系统误差干扰来源  73-77
    5.3.1 运载车装配误差  73-75
    5.3.2 过程距离误差  75-77
    5.3.3 模型误差  77
  5.4 抗干扰措施  77-81
    5.4.1 设备安装的调平校正  78
    5.4.2 零点误差补偿  78-80
    5.4.3 激光雷达防护  80-81
  5.5 本章小结  81-82
第六章结束语  82-84
  6.1 总结  82-83
  6.2 展望  83-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  89-91

大型运载车平台自主定位关键技术研究

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