一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法及系统，涉及机器人环境感知技术领域，能够进一步提高AGV在复杂环境下的定位精度。本发明专利技术包括：组合定位模型包括：AGV的状态模型和利用状态模型建立的量测模型，在AGV活动的场地中部署有反光板，在每一个反光板上粘贴有一个UWB定位基站，UWB天线和激光雷达组成了AGV的定位系统；通过UWB天线接收UWB脉冲信号，同时通过激光雷达接收反光板反射回来的激光信号，根据所接收到的信号得到AGV的UWB定位信息和激光定位信息；将所得到的UWB定位信息和激光定位信息，输入组合定位模型，并更新观测矩阵；利用更新后的观测矩阵，进行迭代运算，并对AGV进行状态预测和量测更新。测和量测更新。测和量测更新。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器人环境感知
，尤其涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法及系统。

技术介绍

[0002]基于激光雷达的定位方法作为AGV定位方式的一种，近年来被广泛应用于仓储物流等行业。基于激光雷达的定位主要依靠的是具有高反射强度的反光板与三点定位法来实现的。该方法通过将当前位置激光雷达扫描到的反光板与事先存储的全局地图中的反光板进行匹配，由于环境内所有反光板坐标已知，就可以根据匹配结果获得当前位置激光雷达扫描到的反光板的全局坐标，当获得的全局坐标至少有三个时，就可以根据激光雷达与每个反光板的距离通过三点定位法求得激光雷达当前的全局坐标。
[0003]但是，这种定位算法对信标的布置与检测有很高要求，如场景内的人工信标在空间上不可形成对称或局部相似、布置的数量在密度上要保证AGV在任意时刻都能检测到至少三个信标，从而满足三点定位法的最低要求等。然而，在实际应用中如果不能保证达到这些要求，AGV在定位或导航过程中就会出现误匹配、卡顿或轨迹缺失等现象，从而降低精度。因此这种定位方法存在一定的局限性。为了在控制成本的前提下，尽可能提高AGV在复杂环境下的定位精度，因此，如何对传统激光雷达定位算法进行硬件及软件算法层面上的改进，以获得更好的定位效果，成为了需要研究的课题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的实施例提供一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法及系统，能够进一步提高AGV在复杂环境下的定位精度。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术的实施例提供的方法，包括：
[0007]S1、建立AGV的组合定位模型，所述组合定位模型包括：AGV的状态模型和利用所述状态模型建立的量测模型，其中，在AGV活动的场地中部署有反光板，在每一个反光板上粘贴有一个UWB定位基站，UWB天线和激光雷达组成了AGV的定位系统；
[0008]S2、通过所述UWB天线接收UWB脉冲信号，同时通过所述激光雷达接收反光板反射回来的激光信号，根据所接收到的信号得到AGV的UWB定位信息和激光定位信息，其中，在AGV运行的过程中周期性得执行步骤S2；
[0009]S3、将所得到的UWB定位信息和激光定位信息，输入所述组合定位模型，并更新观测矩阵；
[0010]S4、利用更新后的观测矩阵，通过扩展卡尔曼滤波进行迭代运算，并利用迭代运算的结果对AGV进行状态预测和量测更新。
[0011]第二方面，本专利技术的实施例提供的定位系统，在AGV活动的场地中部署有反光板，
在每一个反光板上粘贴有一个UWB定位基站，UWB天线和激光雷达组成了AGV的定位系统并安装在AGV上；所述UWB天线，用于接收UWB脉冲信号；所述激光雷达用于接收反光板反射回来的激光信号；AGV上安装的计算模块，用于根据所接收到的信号得到AGV的UWB定位信息和激光定位信息。
[0012]AGV上安装的计算模块中导入了AGV的组合定位模型，所述组合定位模型包括：AGV的状态模型和利用所述状态模型建立的量测模型，其中，在AGV活动的场地中部署有反光板，在每一个反光板上粘贴有一个UWB定位基站，UWB天线和激光雷达组成了AGV的定位系统；所述计算模块，具体用于将所得到的UWB定位信息和激光定位信息，输入所述组合定位模型，并更新观测矩阵；之后利用更新后的观测矩阵，通过扩展卡尔曼滤波进行迭代运算，并利用迭代运算的结果对AGV进行状态预测和量测更新。
[0013]本专利技术实施例提供的基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法及系统，利用UWB和激光雷达组成双传感器组合定位系统，在观测方程中加入了UWB/激光雷达与某一个UWB之间的距离约束，因此即便某一个时刻激光雷达扫描获得的反光板中存在三角形与全局地图或局部地图中另一个三角形全等或相似的情况，但前后时刻UWB/激光雷达与某一个相同的UWB之间的距离却是不一样的，因此从理论上能够进一步降低系统发生误匹配的风险，从而进一步提高AGV在复杂环境下的定位精度。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0015]图1
‑
5为本专利技术实施例提供的具体实例中的场景示意图；
[0016]图6为本专利技术实施例提供的具体实例中的执行流程示意图；
[0017]图7为本专利技术实施例提供的系统架构示意图；
[0018]图8为本专利技术实施例提供的方法流程示意图。
具体实施方式
[0019]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。下文中将详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本

技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0020]本专利技术实施例提供一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法，如图8所示，包括：
[0021]S1、建立AGV的组合定位模型，所述组合定位模型包括：AGV的状态模型和利用所述状态模型建立的量测模型，其中，在AGV活动的场地中部署有反光板，在每一个反光板上粘贴有一个UWB定位基站，UWB天线和激光雷达组成了AGV的定位系统。本实施例中，通过引入UWB(Ultra Wide Band,超宽带)与激光雷达组成双传感器组合定位系统，利用扩展卡尔曼滤波算法对激光雷达的定位结果进行状态约束和预测修正。
[0022]S2、通过所述UWB天线接收UWB脉冲信号，同时通过所述激光雷达接收反光板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扩展卡尔曼滤波的激光雷达和UWB组合定位方法，其特征在于，包括：S1、建立AGV的组合定位模型，所述组合定位模型包括：AGV的状态模型和利用所述状态模型建立的量测模型，其中，在AGV活动的场地中部署有反光板，在每一个反光板上粘贴有一个UWB定位基站，UWB天线和激光雷达组成了AGV的定位系统；S2、通过所述UWB天线接收UWB脉冲信号，同时通过所述激光雷达接收反光板反射回来的激光信号，根据所接收到的信号得到AGV的UWB定位信息和激光定位信息，其中，在AGV运行的过程中周期性得执行步骤S2；S3、将所得到的UWB定位信息和激光定位信息，输入所述组合定位模型，并更新观测矩阵；S4、利用更新后的观测矩阵，通过扩展卡尔曼滤波进行迭代运算，并利用迭代运算的结果对AGV进行状态预测和量测更新。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S1中，包括：建立AGV的状态模型X
k
＝A
k
X
k
‑1+w
k
‑1，A
k
为定位系统的状态转移矩阵，X
k
为状态向量，w
k
‑1为过程噪声，k表示时刻；其中，其中，和为所述定位系统在k时刻相对于k
‑
1时刻在x和y方向的坐标变化量，和为所述定位系统在k时刻相对于k
‑
1时刻在x和y方向的速度变化量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，w
k
‑1满足均值为0且方差为的高斯分布；步骤S2的周期为ΔT，则：4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述状态模型建立的量测模型，包括：Y
k
＝C
k
X
k
+v
k
，Y
k
为输出矩阵，v
k
为量测噪声矩阵，C
k
为观测矩阵；其中，ξ
k，i
为在k时刻经过泰勒展开后的观测噪声，ξ
k，k
‑1为在k
‑
1和k时刻之间经过泰勒展开后的观测噪声，i表示反光板的编号，d
k，i
表示在k时刻所述定位系统与第i个反光板上的UWB定位基站之间的距离，d
k，k
‑1表示所述定位系统在k
‑
1时刻所在位置，与在k时刻所在位置之间的距离，d
k0，i
表示k0时刻(即每一次计算过程的初始时刻)UWB/激光雷达系统与第i个反光板上的UWB之间的距离，d
k0，k
‑1表示k0时刻UWB/激光雷达系统与k时刻之间的距离；x
k0
表示每一次计算过程的初始时刻系统的x坐标，x
k
‑1表示k
‑
1时刻系统的x坐标，y
k0
表示每一次计算过程的初始时刻系统的y坐标，y

【专利技术属性】
技术研发人员：陶晓东，曾庆喜，阚宇超，冀徐芳，于浩楠，常婷婷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：