消防機(jī)器人GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的精度提高方案

引言

　　消防偵察機(jī)器人是一類實(shí)用型機(jī)器人，它能替代消防救援人員遙控進(jìn)入易燃、易爆、有毒、有害、易坍塌建筑物、大型倉(cāng)庫(kù)堆垛、缺氧、濃煙等室內(nèi)外危險(xiǎn)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、偵察。由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境（建筑物遮擋，濃煙，火焰等），控制人員必須能夠在視野之外準(zhǔn)確地操控消防機(jī)器人，因而必須采用可靠精確的導(dǎo)航系統(tǒng)。一般消防機(jī)器人都載有攝像頭，可以通過電纜或無(wú)線傳輸模塊將視頻信號(hào)返回給控制人員，由此可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺導(dǎo)航。然而視頻信息的帶寬需求比較大，而且易受外部環(huán)境干擾，在許多場(chǎng)合無(wú)法使用。本文提出一種融合GPS，陀螺儀和里程計(jì)等傳感器信息的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一所示。

GPS定位

　　GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代航天及無(wú)線電通訊科學(xué)技術(shù)的發(fā)展建立起來(lái)的一個(gè)高精度、全天候和全球性的無(wú)線電導(dǎo)航電位、定時(shí)的多功能系統(tǒng)。GPS可提供實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)、三維速度和高精度的時(shí)間信息，目前已成為當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用的全球精密授時(shí)、測(cè)距、導(dǎo)航、指揮、調(diào)度系統(tǒng)。

　　GPS模塊可提供定位時(shí)間，經(jīng)緯度，定位功能指示等12項(xiàng)數(shù)據(jù)，輸出格式采用標(biāo)準(zhǔn)NMEA協(xié)議，可以直接使用獲得的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)作為方位信息（東經(jīng)XXX.XXXX，北緯XXX.XXXX）。也可以根據(jù)功能指數(shù)和精度因子計(jì)算相對(duì)于出發(fā)點(diǎn)的位置信息（北：±XXXX.XXm;東：±XXXX.XXm）。模塊單機(jī)定位時(shí)精度為10～30米，如果使用了基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)則精度可以提高至5～10米[1]。這樣的精度仍然無(wú)法滿足消防機(jī)器人準(zhǔn)確操控的需求，另一方面，消防偵察機(jī)器人需要在工廠區(qū)，室內(nèi)等無(wú)法接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)的環(huán)境下工作，因此必須用其他技術(shù)作為GPS定位的補(bǔ)充。

電子羅盤系統(tǒng)

　　電子羅盤COMPASS的操作原理是根據(jù)磁阻感應(yīng)地球磁場(chǎng)變化而即時(shí)輸出物體的運(yùn)行方向和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)包括方位角（順時(shí)針偏離正北方向的角度）等數(shù)據(jù);運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)包括俯仰角、旋轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)。COMPASS的使用目的是針對(duì)GPS接收數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，使得本系統(tǒng)在GPS衛(wèi)星信號(hào)接收不理想的情況下，依舊能產(chǎn)生恒定頻率的機(jī)器人運(yùn)行方向和姿態(tài)信息，并進(jìn)一步根據(jù)相應(yīng)算法得出其位置信息。