基于UWB的室内移动机器人定位方法技术

本发明专利技术公开了基于UWB的室内移动机器人定位方法，包括以下步骤：S10，设置基站位置；S20，定位系统构建；S30，测距：测量各基站与标签之间的距离；S40，筑构卡尔曼滤波，修正测量数据；S50，定位解算，求出标签坐标；S60，测试比较。本发明专利技术利用UWB技术，同时采用ADS

【技术实现步骤摘要】
基于UWB的室内移动机器人定位方法


[0001]本专利技术属于机器人
，涉及一种基于UWB的室内移动机器人定位方法。

技术介绍

[0002]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，服务机器人的已经深入到社会生活的各个方面，其中室内移动机器人占据了很大一部分，与相对结构化的工业场景不同，复杂的室内环境，对移动机器人的定位提出了更高的要求。如何在室内场景中灵活、准确的进行定位,是移动机器人自主导航中的最基本环节，也是其完成室内任务的关键问题。对定位的要求是定位精度高(亚米级精度)，实时性好。
[0003]目前室内定位技术在国内的发展呈现多点开花、百鸟争鸣的态势：紫蜂定位技术、WI
‑
FI定位技术、蓝牙定位技术、雷达定位技术、SLAM视觉定位技术和超宽带(Ultra
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Wideband，UWB)技术等，其中UWB信号具有超高分辨率、抗多径效应、穿透力强以及结构简单的优点，成为目前室内高精度定位的最佳技术。比较各种室内定位技术的特点，可见，UWB系统在体积、功耗、抗干扰、定位精度等多个方面有着得天独厚的巨大优势和傲视群雄的超强竞争力。
[0004]UWB定位技术可以达到厘米级甚至更高的定位精度，完全归功于其定位技术十分独特的通信机制。传统的载波信号调制方法被抛弃，取而代之的是采用纳秒级别的窄脉冲直接发射信号，UWB系统这一做法造就了其频谱范围极其宽广、信噪比很低的优势。整个UWB系统是一个纯数字系统，发射机和接收机不包含传统的IF和RF电路，这一特性也使得在实际情况下，UWB系统体积可以压缩到很小。可见，UWB系统在体积、功耗、抗干扰、定位精度等多个方面有着得天独厚的巨大优势和傲视群雄的超强竞争力。
[0005]UWB定位标签是可移动的被定位目标，其向周围发送纳秒级的脉冲信号，固定安装在周围的UWB基站接收并测量上述脉冲信号，经过滤波、滑动相关等运算，各自计算得到脉冲信号的到达时刻等定位测量信息。
[0006]近期，国内的超宽带定位领域，许多亮眼的公司和团队如雨后春笋般纷纷涌现。四川成都恒高公司，上市了其研发的UWB定位系统、UWB定位软件，SDK开发平台和UWB定位基站与标签，产品种类相当齐全丰富，其UWB定位系统可与视频高度融合，实现实时定位。在苹果公司最新的产品发布会上，小型外设AirTags正式在公众面前亮相。这款外设具备UWB无线功能，可通过手机应用寻找物件；小米公司在公开的技术演示中也使用了UWB技术，主要针对的就是室内高精度定位。在智能家居的应用场景下，UWB技术能够以手机为核心进行感知测距，是一大创新应用。
[0007]UWB定位技术的原理，首先要知道它的测距原理才行。UWB定位技术可采用TOF(飞行时差)测距，TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个收发机之间飞行时间来测量节点间的距离。模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的a1发射请求性质的脉冲信号，模块B在b2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳a2时刻接收。通过公式就可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时
间，从而确定飞行距离。UWB的室内定位原理则和卫星原理很相似，就是通过室内布置数个已知坐标的定位基站，需要定位的人员携带定位标签，标签按照一定的频率发射脉冲，不断和几个基站进行测距，通过一定的定位解算算法定出标签的位置。但是室内的环境复杂，障碍物多，容易产生某个基站的信号完全被遮挡的非视距(NLOS)情况。目前在UWB定位系统中广泛使用的定位解算算法一般有以下几种：最小二乘法估计(LSE)、Fang算法、Chan算法、Taylor算法，LSE可以通过最小化误差的平方和，搜寻数据的最优函数匹配，能进一步减小NLOS造成的误差。
[0008]现有技术中，室内环境由于障碍物较多，行人往来等特点，一般的无线定位技术难以达到较高的的定位技术，而超宽带(UWB)技术具有短脉冲、高多径分辨率、高定位精度的特点，适合在室内定位中应用。而UWB技术仍不是尽善尽美，UWB定位需要3个以上的固定基站，所以在某个基站的信号完全被遮挡的非视距(NLOS)情况下，会出现可见基站变少不能完成定位或者定位精度较差情况。目前UWB技术亟待提升的即为尽可能降低非视距误差，提高系统定位精度。

技术实现思路

[0009]为解决上述问题，本专利技术所提出的技术方案是利用UWB技术，设计了一种高精度移动机器人室内定位系统。一方面采用ADS
‑
TWR测距技术保证定位系统的实时性和测距精度；ADS
‑
TWR法测距过程：首先标签向发送基站请求帧；基站收到请求帧后启动计时，经过延时后向标签发送应答帧；标签收到应答帧后启动计时，并将发送和接收到信号的时间点写入终止帧，经延时后发送给基站；基站收终止帧后表示测距结束。
[0010]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为基于UWB的室内移动机器人定位方法，包括以下步骤：
[0011]S10，设置基站位置；
[0012]S20，定位系统构建；
[0013]S30，测距：测量各基站与标签之间的距离；
[0014]S40，筑构卡尔曼滤波，修正测量数据；
[0015]S50，定位解算，求出标签坐标；
[0016]S60，测试比较。
[0017]优选地，所述S10设置基站位置，包括确定室内场地大小为a
×
b，并在其上设置四个UWB定位基站，分别放在(a1,b1),(a2,b2),(a3,b3),(a4,b4)四个位置，设置UWB定位基站高度为h，其中基站分为普通基站和通信基站，普通基站包括：第二基站(a2,b2,h)、第三基站(a3,b3,h)和第四基站(a4,b4,h)，通信基站包括第一基站(a1,b1,h)，在移动机器人顶端安装标签，通讯基站通过串口连接上位机。
[0018]优选地，所述S20定位系统构建包括标签和基站均包括单片机和DWM1000通信模块，被配置为标签或者基站；基站被设置为主动端，标签被设置为被动端，第一基站作为核心，所有行为模式均集中于第一基站。
[0019]优选地，所述S30测距，包括记录每一次消息的发送和接受信息的时间戳，标记不同的延时和往返时间，由此计算每个基站与标签间的信息飞行时间，从而计算距离。
[0020]优选地，所述S30测距，包括以下步骤：
[0021]S31，初始化移动标签：通过移动标签向所有基站发出请求POLL请求帧，第一基站收到请求帧后启动计时，经过延时t
replyB1
后向标签发送REPLY应答帧；标签收到应答帧后启动计时，并将发送和接收到信号的时间点写入FINAL终止帧，经延时t
replyA1
后发送给各基站；第一基站收终止帧后表示第一基站与标签间的测距结束；
[0022]S32，根据设定的不同的应答时间，第一基站命令第二基站、第三基站和第四基站依次向标签发送应答帧，后续的步骤与第一基站相同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于UWB的室内移动机器人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S10，设置基站位置；S20，定位系统构建；S30，测距：测量各基站与标签之间的距离；S40，筑构卡尔曼滤波，修正测量数据；S50，定位解算，求出标签坐标；S60，测试比较。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S10设置基站位置，包括确定室内场地大小为a
×
b，并在其上设置四个UWB定位基站，分别放在(a1,b1),(a2,b2),(a3,b3),(a4,b4)四个位置，设置UWB定位基站高度为h，其中基站分为普通基站和通信基站，普通基站包括：第二基站(a2,b2,h)、第三基站(a3,b3,h)和第四基站(a4,b4,h)，通信基站包括第一基站(a1,b1,h)，在移动机器人顶端安装标签，通讯基站通过串口连接上位机。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S20定位系统构建包括标签和基站均包括单片机和DWM1000通信模块，被配置为标签或者基站；基站被设置为主动端，标签被设置为被动端，第一基站作为核心，所有行为模式均集中于第一基站。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S30测距，包括记录每一次消息的发送和接受信息的时间戳，标记不同的延时和往返时间，由此计算每个基站与标签间的信息飞行时间，从而计算距离。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S30测距，包括以下步骤：S31，初始化移动标签：通过移动标签向所有基站发出请求POLL请求帧，第一基站收到请求帧后启动计时，经过延时t
replyB1
后向标签发送REPLY应答帧；标签收到应答帧后启动计时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继勇，舒洪睿，朱晨薇，
申请(专利权)人：杭州富阳富创大数据产业创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：