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面向小型移动机器人的视轴稳定跟踪系统研究

作　者: 尹鹏
导　师: 郭伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 视轴稳定平台 陀螺随机误差 机动目标跟踪 “当前”统计模型 Kalman滤波
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


在机器人排爆这种特殊应用场合,如何实现机器人可靠的自主导航是关键。基于机器视觉的自主导航方式与传统的GPS导航、拖线或无线遥控等引导方式相比具有行动灵活、抗干扰能力强的特点,更适合在复杂电磁环境以及户外环境中应用。但是,机器人户外作业时候,机体的姿态因环境的作用会发生摇摆,使设备的成像质量下降,导致目标方位提取不准确甚至丢失目标,直接影响导航效果。因此必须将摄像机安装在具有空间稳定功能的视轴稳定平台上,隔离机体的姿态扰动。本文首先分析了视轴稳定平台隔离机体角度扰动的原理,在理论上根据车体坐标系到视轴的角速度耦合关系,建立了载体角运动隔离方程,并根据实际情况确定了平台结构方案。然后针对平台的应用环境,从减小体积、减轻质量、提高动态性能等方面进行了机械结构的设计。由于微机电陀螺的输出信号存在噪声和随机漂移,影响平台视轴稳定回路的稳定效果。为此,对微机电陀螺的误差模型进行了分析,并利用时间序列分析方法对其进行描述,建立了随机误差的自回归模型。在此基础上分别利用滑动平均滤波和Kalman滤波进行了陀螺信号噪声抑制处理,证明Kalman滤波方法具有较好的滤波效果。为提高平台对目标的跟踪性能,并使跟踪回路具备抗短时视野遮挡的能力,引入了单机动目标跟踪的问题。首先对CA/CV模型、Singer模型和“当前”统计模型进行了分析,并利用“当前”统计模型描述了目标运动状态。然后利用基于“当前”统计模型的自适应Kalman滤波对目标的运动参数进行滤波和预测,并达到了预期的效果。论文最后进行了控制系统的设计和试验系统的搭建,在速度稳定环节采用双环路结构进行干扰补偿,实验证明具有较好的效果。同时在实验中验证了系统设计的有效性以及适用性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 课题的来源与背景  10-11
    1.1.1 课题的来源  10
    1.1.2 课题的背景、研究目的和意义  10-11
  1.2 视轴稳定平台研究综述  11-14
  1.3 视轴稳定跟踪技术研究现状  14-17
    1.3.1 陀螺及其信号处理研究现状  14-16
    1.3.2 机动目标跟踪研究现状  16-17
  1.4 论文的主要工作  17-18
第2章 视轴稳定跟踪系统的研究  18-32
  2.1 引言  18
  2.2 视轴线稳定跟踪系统总体结构  18-19
  2.3 视轴稳定平台的稳定机理研究  19-22
    2.3.1 平台结构以及系统坐标系定义  20
    2.3.2 载体角运动隔离方程  20-22
  2.4 平台机械系统的设计  22-28
    2.4.1 机械性能影响因素  23-24
    2.4.2 平台器件的选型  24-26
    2.4.3 机械结构设计  26-28
  2.5 视轴稳定平台控制模型的建立  28-31
    2.5.1 电机及负载的建模  28-30
    2.5.2 功率放大电路传递函数  30
    2.5.3 编码器传递函数  30-31
    2.5.4 微机电陀螺传递函数  31
  2.6 本章小节  31-32
第3章 微机电陀螺信号处理方法的研究  32-42
  3.1 引言  32
  3.2 微机电陀螺的误差模型分析  32-37
    3.2.1 基于时间序列分析的随机误差建模  33-35
    3.2.2 随机误差模型参数确定  35-37
  3.3 陀螺噪声的抑制  37-41
    3.3.1 滑动平均值滤波  37-39
    3.3.2 基于AR模型的Kalman滤波  39-41
  3.4 本章小节  41-42
第4章 机动目标跟踪方法的研究  42-53
  4.1 引言  42
  4.2 机动目标跟踪原理  42-43
  4.3 机动目标模型的建立  43-47
    4.3.1 CV/CA模型  43-44
    4.3.2 Singer模型  44-45
    4.3.3 “当前”统计模型  45-47
  4.4 目标参数滤波和预测  47-52
    4.4.1 Kalman滤波和预测方法的研究  48-49
    4.4.2 自适应Kalman滤波  49-50
    4.4.3 目标跟踪的实现  50-52
  4.5 本章小结  52-53
第5章 平台控制系统的设计及实验  53-65
  5.1 引言  53
  5.2 平台控制系统设计  53-57
    5.2.1 控制系统结构  53-54
    5.2.2 速度稳定环的设计  54-57
  5.3 平台硬件的设计  57-60
    5.3.1 平台硬件系统的组成  57
    5.3.2 主控制板的设计  57-59
    5.3.3 陀螺信号采集模块  59-60
  5.4 平台性能测试与实验  60-64
    5.4.1 速度稳定实验  60-62
    5.4.2 位置跟踪实验  62-64
  5.5 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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