基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的足式機(jī)器人運(yùn)動速度估計(jì)研究.pdf

1、足式機(jī)器人是移動機(jī)器人的重要組成部分，相較于輪式、履帶式機(jī)器人，足式機(jī)器人在運(yùn)動過程中自主選擇落足點(diǎn)，從而越過路面障礙，在山地運(yùn)輸、搶險(xiǎn)以及軍事等領(lǐng)域存在應(yīng)用潛力。目前，足式機(jī)器人的快速動步態(tài)行走已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，而機(jī)身姿態(tài)和速度等實(shí)時運(yùn)動參數(shù)是機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動控制所需的重要反饋信息。但是常用的慣性測量組件往往存在偏差和隨機(jī)誤差，速度解算嚴(yán)重漂移，同時足式機(jī)器人工作時因足底交互作用導(dǎo)致的沖擊振動，進(jìn)一步增大了速度估計(jì)的難度。如何利用

2、足式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、本體傳感器以及慣性測量組件，以較低的成本穩(wěn)定有效地估計(jì)出其運(yùn)動速度，已經(jīng)成為機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)中的重要研究方向。本文比較了多種足式機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)方法，針對雙足機(jī)器人和四足機(jī)器人，采用了擴(kuò)展卡爾曼濾波有效地融合了捷聯(lián)慣導(dǎo)信息和正運(yùn)動學(xué)信息，獲得了穩(wěn)定準(zhǔn)確的機(jī)器人速度估計(jì)。
　　首先，為了識別偏差和隨機(jī)誤差，針對MEMS捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行了預(yù)處理，進(jìn)而完成了導(dǎo)航解算。研究并對比了加速度計(jì)的靜態(tài)標(biāo)定和在線標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)了偏差

3、的動態(tài)識別和補(bǔ)償，并且根據(jù)Allan方差法有效識別了加速度計(jì)的隨機(jī)誤差，為數(shù)據(jù)融合算法奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)而根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)工作機(jī)制和實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動，分析簡化了速度解算方法。然后進(jìn)行滑臺實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了捷聯(lián)慣導(dǎo)預(yù)處理、導(dǎo)航解算的有效性。
　　其次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需雙足步行機(jī)構(gòu)和四足機(jī)器人模型，建立了腿部連桿坐標(biāo)系，進(jìn)行了正運(yùn)動學(xué)分析以獲取速度估計(jì)的測量值，并且利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。進(jìn)一步對擴(kuò)展卡爾曼濾波融合算法進(jìn)行了研究，合理選取運(yùn)動參數(shù)

4、的誤差作為狀態(tài)變量，建立了狀態(tài)方程和測量方程，通過調(diào)節(jié)方差參數(shù)，得到誤差最優(yōu)估計(jì)值。在此基礎(chǔ)上，采用反饋校正方法，對誤差最優(yōu)估計(jì)值進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動速度估計(jì)。利用四足機(jī)器人運(yùn)動仿真，初步驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)融合算法對直行、側(cè)行以及崎嶇路面的有效性。
　　最后，為了綜合驗(yàn)證捷聯(lián)慣導(dǎo)預(yù)處理、導(dǎo)航解算以及數(shù)據(jù)融合算法的有效性，利用雙足步行機(jī)構(gòu)和四足機(jī)器人平臺進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對雙足步行機(jī)構(gòu)，搭建了運(yùn)動捕捉系統(tǒng)用于獲取真實(shí)運(yùn)動速度，進(jìn)而完