一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，它包括球形机器人、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站及通过WIFI与球形机器人进行通信的上位机，所述球形机器人和UWB基站均位于电缆通道内，球形机器人上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站分别与球形机器人和UWB基站进行无线通信。本发明专利技术将UWB技术与WIFI技术相结合，依据电缆通道实际情况设计了该系统下UWB基站的布设方式以及依照此布置方式执行定位的方法，提高了球形机器人在电缆通道中的定位精度、可靠性和安全性。

A positioning system and positioning method for spherical robot in cable channel

【技术实现步骤摘要】
一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法
本专利技术涉及一种机器人定位系统，尤其涉及一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，属于机器人

技术介绍
电力管廊、电缆隧道空间狭小，环境恶劣，不适合人工巡检。近年来，随着机器人技术的迅猛发展，智能机器人逐渐地被应用到电力管廊、电缆隧道中的巡检中去。而研究电缆通道球形机器人的定位系统在智能机器人电力隧道巡检中又是极为重要的一环，因此迫切需要一种适用于电缆通道球形机器人的定位方法与系统。根据定位系统应用场景不同，无线定位系统分为室外定位系统和室内定位系统，因此电缆通道下球形机器人的定位系统属于室内定位系统设计。但是由于管廊环境复杂，环境恶劣，室内定位时多径传播现象将更加严重，这将直接导致接收信号场强的不稳定性和时变性，定位系统的性能和稳定度都成为了突出问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，依据电缆通道实际情况设计了该系统下UWB基站的布设方式以及依照此布置方式执行定位的方法，本专利技术将UWB技术与WIFI技术相结合，提高了球形机器人在电缆通道中的定位精度、可靠性和安全性，有效的解决了上述存在的问题。本专利技术的技术方案为：一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，它包括球形机器人、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站及通过WIFI与球形机器人进行通信的上位机，所述球形机器人和UWB基站均位于电缆通道内，球形机器人上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站分别与球形机器人和UWB基站进行无线通信。所述电缆通道的高度为d，UWB基站在电缆通道内上下重叠布置两排，底排UWB基站之间的间距为，其中：R为两台UWB基站之间的稳定通讯距离，顶排之间的距离为底排的两倍。所述视距和非视距判断算法模块经训练后可以精准地判断UWB标签接收到的信号属于非视距或视距情况，从而进行下一步的距离解算。所述球形机器人的WIFI强度感应模块可以通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人的位置。一种用于电缆通道球形机器人定位系统的定位方法，所述方法步骤为：一、使用上位机上的UWB定位算法模块进行球形机器人的定位计算，球形机器人上的UWB标签将接收来自UWB基站的信号，进行距离计算；二、建立以UWB基站1为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向的坐标系Oxy；三、利用步骤一得到的距离后，球形机器人上的UWB标签与相邻的三个UWB基站相连得到两个三角形，通过面积的两种不同表示，可以得到球形机器人上的UWB标签的横纵坐标，最终统一到坐标系Oxy下，球形机器人在坐标系Oxy下的坐标为：，其中a、b、c分别为球形机器人距3个相邻UWB基站的距离，p为所形成三角形周长的一半，w、h为三角形的宽与高；四、将UWB定位算法模块与WIFI指纹匹配定位算法模块相结合，优劣势互补，在非视距情况下，使用WIFI指纹匹配定位算法模块，在视距情况下，程序将切换到UWB定位算法模块。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的球形机器人的定位系统和方法，采用了UWB技术和WIFI定位技术，能够明显提高定位精度、可靠性以及安全性，使得球形机器人在电缆隧道中进行巡检有了可能性，能够代替人类在电缆隧道这一狭小空间内进行巡检和在线监测；本专利技术将球形机器人和上位机的功能分割，球形机器人上只需拥有电源模块、WIFI感应模块、UWB模块、MCU控制系统、运动控制系统；上位机则拥有WIFI强度指纹定位模块、UWB定位算法、视距、非视距判断模块、WIFI强度指纹库，将功能复杂的模块全置于上位机，因此使球形机器人的续航能力得到大大加强。本专利技术提出的球形机器人的定位系统中含有基于UWB技术的视距、非视距判断模块，模块由多层状态感知机组成，该状态判断模块能够准确区分视距、非视距，从而显著降低非视距情况下进行定位算法解算产生的误差。本专利技术通过UWB定位算法与WIFI指纹判断模块相结合，两者优势互补，在视距情况下，采用UWB定位算法进行球形机器人位置的解算；在非视距情况下，程序将切换到WIFI强度指纹定位模块，通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人的位置。附图说明图1为本专利技术的布置示意图；图2为本专利技术的系统原理图；图3为本专利技术的视距和非视距判断模块图；图4为本专利技术的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照本说明书附图对本专利技术作进一步的详细描述。实施例1：如附图1～4所示，一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，它包括球形机器人6、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站8及通过WIFI与球形机器人6进行通信的上位机，所述球形机器人6和UWB基站均位于电缆通道7内，球形机器人6上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块、WIFI强度指纹库和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站8分别与球形机器人6和UWB基站进行无线通信。WIFI强度指纹匹配定位算法模块就是将收到的各个RSSI值与WIFI强度指纹库中的各个地点的采样RSSI值进行比对，相似度最高的地点即认为球形机器人的位置，UWB定位算法模块即根据球形机器人上的UWB标签与相邻三个基站的距离得到球形机器人在Oxy坐标下的位置。进一步的，电缆通道7的高度为d，UWB基站在电缆通道7内上下重叠布置两排，底排UWB基站之间的间距为，其中：R为两台UWB基站之间的稳定通讯距离，顶排之间的距离为底排的两倍。水平方向上相邻的三个UWB基站为1组，可以根据电缆通道7的长度设定放置组数，最大限度的利用UWB基站的辐射范围。进一步的，视距和非视距判断算法模块经训练后可以精准地判断UWB标签接收到的信号属于非视距或视距情况，从而进行下一步的距离解算。进一步的，球形机器人6的WIFI强度感应模块可以通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人6的位置。一种用于电缆通道球形机器人定位系统的定位方法，所述方法步骤为：一、使用上位机上的UWB定位算法模块进行球形机器人6的定位计算，球形机器人6上的UWB标签将接收来自UWB基站的信号，进行距离计算；二、建立以UWB基站1为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向的坐标系Oxy；三、利用步骤一得到的距离后，球形机器人6标签与相邻的三个UWB基站相连得到两个三角形，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：它包括球形机器人（6）、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站（8）及通过WIFI与球形机器人（6）进行通信的上位机，所述球形机器人（6）和UWB基站均位于电缆通道（7）内，球形机器人（6）上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站（8）分别与球形机器人（6）和UWB基站进行无线通信连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：它包括球形机器人（6）、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站（8）及通过WIFI与球形机器人（6）进行通信的上位机，所述球形机器人（6）和UWB基站均位于电缆通道（7）内，球形机器人（6）上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站（8）分别与球形机器人（6）和UWB基站进行无线通信连接。


2.根据权利要求1所述的用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：所述电缆通道（7）的高度为d，UWB基站在电缆通道（7）内上下重叠布置两排，底排UWB基站之间的间距为，其中：R为两台UWB基站之间的稳定通讯距离，顶排之间的距离为底排的两倍。


3.根据权利要求1所述的用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：所述视距和非视距判断算法模块经训练后可以精准地判断UWB标签接收到的信号属于非视距或视距情况，从而进行下一步的距离解算。


4.根据权利要求1所述的用于电缆通道球形机器人的定位系...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾鹏，刘君，杨涛，文贤馗，申彧，徐梅梅，许逵，李锦，朱建军，高丙团，徐杰，何嘉弘，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52