移动机器人扩展卡尔曼滤波定位与传感器误差建模

第41卷第4期2012年08月

DOI：10.3724/SP.J.1219.2012.00406

InformationandControl

信息与控制

Vol.41,No.4Aug.,2012

安雷，张国良，张维平，敬斌

（第二炮兵工程大学理学院，陕西西安

710025）

摘要：针对里程计在定位过程中存在累积误差的问题，建立了一种通用的移动机器人里程计误差模型，对里

程计误差进行实时反馈补偿．在利用激光雷达进行环境特征提取过程中，根据激光雷达原始数据存在的误差，建立了激光雷达的观测误差模型，并根据环境特征和机器人的相对位置关系，建立了移动机器人观测模型．最后，结合里程计和激光雷达误差模型，利用扩展卡尔曼滤波（EKF）实现了基于环境特征跟踪的移动机器人定位．实验结果验证了里程计和激光雷达误差模型的引入，在增加较短定位时间的情况下，可以有效地提高移动机器人的定位精度．

关键词：移动机器人定位；里程计；激光雷达；误差建模；扩展卡尔曼滤波中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1002-0411(2012)-04-0406-07

EKFLocalizationandSensorErrorModelingforMobileRobots

ANLei，ZHANGGuoliang，ZHANGWeiping，JINGBin

(CollegeofScience,TheSecondArtilleryEngineeringUniversity,Xi’an710025,China)

Abstract:Fortheaccumulatederrorsoftheodometryintheprocessoflocalization,ageneralodometryerrormodelformobilerobotsisestablishedtocompensatetheodometryerrorsviafeedbackinrealtime.Accordingtotheerrorsoforiginaldatafromthelaserradar,anobservationerrormodelforlaserradarisestablished.Theobservationmodelformobilerobotsisdesignedaccordingtotheenvironmentalfeaturesandtherelativepositionofmobilerobots.Further,extendedKalman lterisusedbycombiningtheodometryandlaserradarerrormodeltorealizethemobilerobots’localizationbasedenvironmentalfeaturetracking.Theexperimentalresultsillustratethatthelocationaccuracyoftherobotsisimprovedeffectivelywithincreasingalittlelocatingtimebyintroducingodometryandlaserradarerrormodel.

Keywords:mobilerobotlocalization;odometer;laserradar;errormodeling;extendedKalman lter(EKF)

1引言（Introduction）

移动机器人定位是移动机器人导航的最基本环节，是确定移动机器人在其作业环境中相对于全局坐标的位姿的过程[1]．定位问题最为简单的是位姿跟踪问题[2]，即移动机器人的初始位置已知，通过校正传感器累积误差来校正估计位姿．里程计和激光雷达是位姿跟踪过程中最常用的传感器．移动机器人在运动过程中由于外界的随机干扰会引起一些不确定性的误差，导致在利用里程计进行航迹推算和利用激光雷达进行位姿更新时会产生较大的位姿累积误差，使定位精度降低．如何减小移动机器人运动过程中由传感器带来的误差，提高定位精度，逐渐成为移动机器人定位研究的热点．

目前，针对里程计和激光雷达的误差建模问题

通讯作者：安雷，xsal999@126.com

已有很多的研究．Agostino[3]提出了一种同步驱动

轮式移动机器人里程计误差建模方法，并通过实验获取的里程计观测值求取误差模型参数；Lindsay[4]提出了一种差动驱动轮式移动机器人里程计和声纳误差建模方法，对移动机器人进行定位和地图创建仿真；杨晶东等[5-6]提出了一种通用的里程计误差建模方法，该方法可以应用于同步驱动和差动驱动轮式移动机器人；Adrian等[7]提出了基于图像处理技术的在线校正移动机器人里程计的系统和非系统误差的方法．

本文在前人研究的基础上，同时考虑里程计和激光雷达误差，针对三轮驱动移动机器人在利用里程计和激光雷达进行位姿跟踪时存在较大的位姿累积误差的问题，着重研究了以下问题：(1)建立里程计误差模型．(2)建立激光雷达误差模型．(3)利用

收稿／录用／修回：2011-05-11/2011-08-06/2012-06-11

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