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随着人工智能、无人驾驶产业的迅猛发展，轮式机器人被广泛应用于消费服务、快递物流、治安巡逻、特种作战等领域，其对连续、实时、精准的低成本定位技术的需求也越来越迫切。综合复杂场景下，GNSS/INS组合导航能够提供可靠、连续、完备的高精度导航信息，是应用最广泛的定位技术之一。然而，低成本MEMSIMU噪声较大，精度较低，在GNSS失效期间组合定位误差将迅速累积，系统可用性较差。使用里程计辅助和非完整性约束等轮式机器人载体信息对GNSS/INS组合导航系统进行辅助，能够显著降低INS误差的发散速度。但是，GNSS长时间失效时，GNSS/INS/机器人信息组合定位系统仍然无法保障精度。基于低成本相机的视觉绝对定位，依靠稀疏的视觉路标来提供精准的绝对辅助信息，从而形成GNSS/INS/机器人信息/视觉路标多源融合定位系统，能够实现GNSS复杂场景下连续的高精度定位。
针对轮式机器人对连续、实时、精准的低成本定位技术的迫切需求，本文开展了基于GNSS、INS、里程计、视觉等导航手段的多源组合定位技术研究，建立了多源融合定位算法模型，并研制了轮式机器人多源实时精密定位系统，最后通过实测实验进行了验证。本文的主要研究内容和贡献如下：
1.为了增强GNSS/INS组合定位系统的稳健性，提高在GNSS复杂环境下的高精度定位性能，设计并实现了轮式机器人载体信息辅助的GNSS/INS实时组合定位方案，即轮式机器人实时组合定位方案。首先，在GNSS/INS组合导航的经典状态模型和量测模型基础上，建立GNSS双天线航向辅助、轮式里程计辅助、非完整性约束和零速修正的量测模型；然后，面向实时性需求，设计了GNSS和IMU高精度时间同步技术，并采用了GNSS延时更新算法；最后，对研制的组合定位模块进行实测数据验证和分析。实测结果表明，GNSS/INS/机器人信息组合定位系统，能够实现优于0.5°的初始航向对准；开阔天空场景下定位精度为厘米级，航向精度优于0.12°；GNSS失效30s时，组合系统能够维持优于0.3m的水平定位精度。
2.为了进一步提高GNSS/INS/机器人信息组合定位系统在综合复杂场景高精度定位的连续性，设计并实现了基于视觉路标辅助的机器人组合定位方案。首先，建立相机和IMU的时空同步框架，实现相机和IMU时间和空间上的同步。接着，针对视觉和惯导组合的层次，分别建立视觉/惯导松组合、紧组合卡尔曼滤波量测模型。然后，设计人工视觉路标，实现视觉路标的特征点提取和匹配算法。最后，基于轮式机器人平台采集实测数据，对视觉融合算法的量测效果进行了定量的评估分析。实测结果表明，无论是视觉/惯导松组合还是紧组合算法，都能够显著改善GNSS中断期间的组合定位系统性能，但是视觉/惯导紧组合算法精度更高、效果更优。在GNSS中断20s时间段内，连续约5s的视觉路标辅助，采用视觉/惯导紧组合算法，GNSS/INS/机器人信息/视觉路标组合定位系统能够维持优于0.18m的水平定位精度。
3.基于上述机器人组合定位理论与方法，研制了轮式机器人多源实时精密定位系统。首先，基于轮式机器人载体信息辅助的GNSS/INS实时组合定位技术，研制了实时组合定位模块INS-Probe。然后，以INS-Probe为核心，基于轮式机器人平台，采用基于视觉路标的视觉/惯导紧组合技术，建立GNSS/INS/机器人信息/视觉路标组合定位系统。最后在综合复杂场景下，评估了组合定位模块和多源融合定位系统的实时性能。实测结果表明，多源融合定位系统软硬件结构完整，实时多源融合定位软件运行稳定，能够为轮式机器人提供连续、实时、精准定位。
综上所述，针对轮式机器人定位导航需求，本文对GNSS/INS/机器人信息/视觉路标组合定位技术进行了深入研究，建立了完整的滤波融合模型；研制了GNSS/INS/机器人信息实时组合定位模块，并以此研制了轮式机器人多源实时精密定位系统；通过实测数据对算法模型和硬件系统进行了全面验证和分析。本文的研究将为综合复杂环境下，轮式机器人的连续、实时、精准定位提供可靠的参考方案。
针对轮式机器人对连续、实时、精准的低成本定位技术的迫切需求，本文开展了基于GNSS、INS、里程计、视觉等导航手段的多源组合定位技术研究，建立了多源融合定位算法模型，并研制了轮式机器人多源实时精密定位系统，最后通过实测实验进行了验证。本文的主要研究内容和贡献如下：
1.为了增强GNSS/INS组合定位系统的稳健性，提高在GNSS复杂环境下的高精度定位性能，设计并实现了轮式机器人载体信息辅助的GNSS/INS实时组合定位方案，即轮式机器人实时组合定位方案。首先，在GNSS/INS组合导航的经典状态模型和量测模型基础上，建立GNSS双天线航向辅助、轮式里程计辅助、非完整性约束和零速修正的量测模型；然后，面向实时性需求，设计了GNSS和IMU高精度时间同步技术，并采用了GNSS延时更新算法；最后，对研制的组合定位模块进行实测数据验证和分析。实测结果表明，GNSS/INS/机器人信息组合定位系统，能够实现优于0.5°的初始航向对准；开阔天空场景下定位精度为厘米级，航向精度优于0.12°；GNSS失效30s时，组合系统能够维持优于0.3m的水平定位精度。
2.为了进一步提高GNSS/INS/机器人信息组合定位系统在综合复杂场景高精度定位的连续性，设计并实现了基于视觉路标辅助的机器人组合定位方案。首先，建立相机和IMU的时空同步框架，实现相机和IMU时间和空间上的同步。接着，针对视觉和惯导组合的层次，分别建立视觉/惯导松组合、紧组合卡尔曼滤波量测模型。然后，设计人工视觉路标，实现视觉路标的特征点提取和匹配算法。最后，基于轮式机器人平台采集实测数据，对视觉融合算法的量测效果进行了定量的评估分析。实测结果表明，无论是视觉/惯导松组合还是紧组合算法，都能够显著改善GNSS中断期间的组合定位系统性能，但是视觉/惯导紧组合算法精度更高、效果更优。在GNSS中断20s时间段内，连续约5s的视觉路标辅助，采用视觉/惯导紧组合算法，GNSS/INS/机器人信息/视觉路标组合定位系统能够维持优于0.18m的水平定位精度。
3.基于上述机器人组合定位理论与方法，研制了轮式机器人多源实时精密定位系统。首先，基于轮式机器人载体信息辅助的GNSS/INS实时组合定位技术，研制了实时组合定位模块INS-Probe。然后，以INS-Probe为核心，基于轮式机器人平台，采用基于视觉路标的视觉/惯导紧组合技术，建立GNSS/INS/机器人信息/视觉路标组合定位系统。最后在综合复杂场景下，评估了组合定位模块和多源融合定位系统的实时性能。实测结果表明，多源融合定位系统软硬件结构完整，实时多源融合定位软件运行稳定，能够为轮式机器人提供连续、实时、精准定位。
综上所述，针对轮式机器人定位导航需求，本文对GNSS/INS/机器人信息/视觉路标组合定位技术进行了深入研究，建立了完整的滤波融合模型；研制了GNSS/INS/机器人信息实时组合定位模块，并以此研制了轮式机器人多源实时精密定位系统；通过实测数据对算法模型和硬件系统进行了全面验证和分析。本文的研究将为综合复杂环境下，轮式机器人的连续、实时、精准定位提供可靠的参考方案。