一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个基站之间的距离；而标签的定位方法是通过采用TOF定位方法，按照设定的机制，通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与4个基站（其中1个为通信基站）之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。本发明专利技术通过UWB技术对室内机器人的无线定位控制，加以配合先进的测距方法，可以获得更高的定位精度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于室内机器人通信技术和控制
，具体涉及一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法。
技术介绍
随着社会经济的进一步发展，工业自动化水平的进一步提高，移动机器人的服务已经深入到社会生产的各个方面。目前，室内移动机器人主要依靠AGV小车来实现。AGV小车路径控制主要有轨道引导和视觉引导两种方式。轨道引导需要在作业现场铺设轨道引导小车行进，这样的路径控制方式的不足是：（1）轨道的铺设使得工业作业现场AGV小车路径灵活性不足，加工工艺的改变，需要用户改变铺设的轨道；（2）对于多移动机器人的复杂路径或交叉路径，铺设轨道的方式，是无法引导AGV小车的。视觉引导方式是使用基于图像背景的定位原理，引导小车行进，存在的不足：（1）位置精度误差大；（2）作业环境的改变，需要重新布置图像背景。针对上述AGV小车路径控制方式和定位原理，无线定位方案明显弥补了其定位的不足。目前无线定位技术有很多，包括Wifi、RFID、超声波和蓝牙等，各种定位技术特点如表1所示，然而其定位实现均存在一个共性问题-定位精度是米级水平，正是这一问题的存在，限制了无线定位技术在室内环境中的应用。表1无线定位技术特点定位技术特点蓝牙亚米级定位精度，用于移动用户定位Wifi米级定位精度，用于已部署网络区域RFID定位精度变化较大，用于商品物流超声波定位精度变化较大，用于功能受限的室内定位UWB厘米级定位精度，用于室内精确定位UWB技术是一种利用亚纳秒级超窄脉冲的无载波通信技术。相对于其他定位技术，UWB技术具有以下优势：1.通信距离远，能实现百米范围内有效通信，满足室内定位需要2.高数据传输速率，10米范围内数据传输速率达到百Mbit/s，甚至到达Gbit/s3.抗干扰能力强，多径分辨能力强4.功耗小，发射功率在mW级别5.时间分辨率高，时间区分度在亚纳秒级别UWB室内定位技术在理论上可以将误差控制在10cm，实际应用中能控制误差在20cm内。相对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可以保证室内机器人具有更高的定位精度和稳定性的基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法。技术方案：本专利技术所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，包括：单个标签与单个基站之间的测距：通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个基站之间的距离；单个标签与多个基站之间的测距：标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基站的回应时间；基站接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待标签请求信号；标签发送请求帧后，进入接收状态，等待基站回应信号；各基站依据通信前标签分配的回应时间，依序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号；标签接收完各基站回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应基站；各基站在接收标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至标签；基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器；标签获取与各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移动机器人控制器，另一方面，经通信基站，上传至服务器，供后续应用软件使用；多标签与多个基站之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个标签设置一个时间片：当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距；基站在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标签只能在这个时间片上主动呼叫基站；标签的定位：采用TOF定位方法，标签与基站之间通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与多个基站之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。进一步的，在多标签与多个基站之间的测距过程中，为了优化系统性能，基站会定期地扫描标签，用来清除那些长时间没有呼叫动作的标签，更新标签时间片。进一步的，标签的定位发生误差时，多个定位圆并不相交于一点，这种情况下，利用定位算法从有限的定位圆交点中选择若干个合理的交点做进一步处理，最终得到标签坐标。进一步的，所述标签中的单片机在计算得到自身坐标信息后，一方面，经通信接口，将坐标信息传至移动机器人控制器；另一方面，可经通信基站和网络将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理。进一步的，用户通过访问系统服务器，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，通过互联网改变移动机器人的预设行进路线，实现对移动机器人的路径规划，以满足对生产工艺的需求。进一步的，移动机器人获取标签的当前坐标信息和用户设定的目标位置及预设路径信息，自动进行路径规划和前行，并能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理，到达指定的工位进行后续加工。进一步的，在标签的定位中所述的多个基站中其中有一个为通信基站。有益效果：本专利技术通过UWB技术对室内机器人的无线定位控制，加以配合先进的测距方法，可以获得更高的定位精度和稳定性。附图说明图1为本专利技术的基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统控制效果图；图2为本专利技术的基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统结构框图；图3为本专利技术的标签与基站的信息流向示意图；图4为本专利技术在无误差下TOF定位示意图；图5为本专利技术在有误差下TOF定位示意图；图6为本专利技术测距原理结构示意图；图7为本专利技术多基站通信测距原理结构示意图；图8为本专利技术TOF定位实现步骤流程示意图；图9为本专利技术的标签时间片结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的工作原理以及具体的技术方案作进一步详细说明：室内移动机器人应用可以概括为两大部分：定位和导航。定位是指移动机器人依托4个基站的测距数据，实时计算得到自身的平面位置信息S(x,y)；导航是指移动机器人，根据自身当前位置信息、用户设定的目标位置及预设路径信息（用户设定机器人的行走路径），能自动进行路径规划，并控制移动机器人前行。同时移动机器人能根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：包括：单个标签与单个基站之间的测距：通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个基站之间的距离；单个标签与多个基站之间的测距：标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基站的回应时间；基站接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待标签请求信号；标签发送请求帧后，进入接收状态，等待基站回应信号；各基站依据通信前标签分配的回应时间，依序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号；标签接收完各基站回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应基站；各基站在接收标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至标签；基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器；标签获取与各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移动机器人控制器，另一方面，经通信基站，上传至服务器，供后续应用软件使用；多标签与多个基站之间的测距：通过采用 “按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个标签设置一个时间片：当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距；基站在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标签只能在这个时间片上主动呼叫基站；标签的定位：采用TOF定位方法，标签与基站之间通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与多个基站之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：包括：
单个标签与单个基站之间的测距：通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主
获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个
基站之间的距离；
单个标签与多个基站之间的测距：标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基
站的回应时间；基站接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待标签请求信号；标签发送
请求帧后，进入接收状态，等待基站回应信号；各基站依据通信前标签分配的回应时间，依
序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号；标签接收完各基站回应
帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应基站；各基站在接收标签
终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入
回应帧返送至标签；基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器；标签获取与
各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移
动机器人控制器，另一方面，经通信基站，上传至服务器，供后续应用软件使用；
多标签与多个基站之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个
标签设置一个时间片：当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帧，请
求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距；基站
在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标
签只能在这个时间片上主动呼叫基站；
标签的定位：采用TOF定位方法，标签与基站之间通过UWB信号的飞行时间，进行测距；
在标签获得与多个基站之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜平，周根荣，贺晶晶，徐星，缪锐，周伯俊，王通，杨超，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32