本发明专利技术公开了一种基于UWB与IMU融合的多机器人协同定位系统，至少包括两个目标机器人，每一个目标机器人均包括定位模块、IMU模块、数据融合模块以及多个UWB模块，IMU模块获取目标机器人的目标加速度和目标角加速度；每一个UWB模块用于测量该UWB模块与其它目标机器人的UWB模块之间的距离，并将该距离作为初始测距值；定位模块根据IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度和每一个UWB模块获取的初始测距值，得到多个定位坐标；融合模块根据多个定位坐标确定该目标机器人的目标位置信息。通过IMU模块和定位模块可以对目标机器人进行自定位，同时对UWB模块测得的初始测距值进行校准，进而确定目标机器人的目标位置信息，减少NLOS对定位的影响。少NLOS对定位的影响。少NLOS对定位的影响。
【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统
[0001]本专利技术涉及机器人定位
，更具体地，涉及一种基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统。
技术介绍
[0002]随着传感器与机器人技术的发展，人们对室内自主移动机器人定位的方案需求越来越高。近年来，在室内定位中应用比较广泛的传感器有激光雷达、摄像头、IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)、编码器、UWB(Ultra Wide Band，超宽带技术)、超声波等。UWB集无线通信与实时感知定位于一体，与其他室内定位技术相比，其具有传输速率高、带宽极宽、功耗低、辐射小、抗干扰能力强、定位精度高等优点，而且其具有较高的性价比。
[0003]基于UWB的定位系统，通过安装固定的UWB基站测量UWB基站与机器人上的UWB标签之间的实时距离，进而对该机器人进行定位。
[0004]现有技术公开一种基于UWB定位的三维定位系统，包括UWB基站和移动UWB基站，包括以下步骤：(1)、搭建UWB基站，并分别计算两个UWB基站之间的距离；(2)、计算移动UWB基站到其他UWB基站的距离，计算出每个移动UWB基站的绝对位置；(3)、以移动UWB基站起始点，两个UWB基站分别为终止点，测量两个UWB基站与移动UWB基站的距离差，对移动UWB基站进行定位；(4)、选择其它UWB基站作为终止点，计算得到移动UWB基站的三维空间定位。本专利技术通过UWB定位达到三维空间实时定位，并且能够提高传感器的三维空间定位精度，形成多传感器的高效率监测；通过UWB基站与传感器在可移动装置上的配合使用，实现了实时监测数据传输和位置信息传输，提高了工程试验中的数据分析结果的准确性。
[0005]上述现有技术中，基于UWB的定位系统由于安装固定的UWB基站导致可定位范围非常局限，且由于NLOS(Non Line of Sight，非视距)误差，UWB标签会在受到遮挡的时候造成数据丢失而无法定位。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，解决现有技术中存在的NLOS误差问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，至少包括两个目标机器人，每一个目标机器人均包括定位模块、IMU模块、数据融合模块以及多个UWB模块，其中：
[0009]所述IMU模块获取目标机器人的目标加速度和目标角加速度；
[0010]每一个所述UWB模块用于测量该UWB模块与其它目标机器人的UWB模块之间的距离，并将该距离作为初始测距值；
[0011]所述定位模块根据IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度和每一个UWB模块获取的初始测距值，得到多个定位坐标；
[0012]所述融合模块根据所述多个定位坐标确定该目标机器人的目标位置信息。
[0013]优选地，所述IMU模块包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述三轴加速度计用于测量目标机器人的目标加速度；所述三轴陀螺仪用于测量目标机器人的目标角加速度。
[0014]优选地，每一个所述UWB模块为UWB收发器；当该UWB模块进行测距时，该UWB模块作为定位标签；当该UWB模块以外的任一其他UWB模块进行测距时，该UWB模块作为定位基站。
[0015]优选地，所述定位模块包括第一定位模块、校准与补偿模块和第二定位模块，其中，所述第一定位模块用于根据所述IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度，计算目标机器人的第一位置信息；所述校准与补偿模块用于根据所述第一位置信息对UWB模块得到的初始测距值进行校准，得到目标测距值；所述第二定位模块用于根据目标机器人的多个UWB模块的所述目标测距值，得到多个定位坐标。
[0016]优选地，所述第一定位模块用于根据所述IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度，计算目标机器人的第一位置信息，具体为：
[0017]模块获取的目标加速度a和目标角加速度ω，已知上一时刻的位置，利用以下公式计算当前位置：
[0018]ω＝ω
b
+b
g
+n
g
[0019]a＝q
bw
(a
w
+g
w
)+b
a
+n
a
[0020]式中，上下标w表示世界坐标系，上下标b表示IMU本体坐标系，q
bw
表示从w坐标系到b坐标系的旋转四元数；
[0021]又有p＝(x，y)表示位置，v表示速度，q表示姿态，其关于时间的导数有：
[0022][0023][0024][0025]式中，下标t表示t时刻；
[0026]则第k
‑
1时刻时，积分得到第k时刻为：
[0027][0028][0029][0030]由上可知，所以为其估计距离。
[0031]优选地，所述校准与补偿模块用于根据所述第一位置信息对UWB模块得到的初始测距值进行校准，得到目标测距值，具体为：
[0032]根据第一位置信息计算初始测距值的误差距离：
[0033]e＝|Z
k
‑
X
k
|
[0034]式中，e为误差距离，Z
k
为UWB模块得到的初始测距值；
[0035]针对每一初始测距值，若误差距离大于预设阈值，则表明当前该初始测距值为
NLOS距离，为避免NLOS误差，则将估计距离替换该初始测距值，以对初始测距值进行校准；针对每一初始测距值，若误差距离不大于预设阈值，则表明当前该初始测距值不为NLOS距离，则不对初始测距值进行校准。
[0036]优选地，若UWB模块向其它UWB模块发送的测距消息超过预设时间未收到回复，则确定该UWB模块与其它UWB模块为NLOS距离，将估计距离作为目标测距值。
[0037]优选地，所述校准与补偿模块还用于根据目标位置信息对预设航迹推演算法进行补偿。
[0038]优选地，所述第二定位模块用于根据目标机器人的多个UWB模块的所述目标测距值，得到多个定位坐标，具体为：
[0039]将当前目标机器人的侧足作为X轴，垂直于X轴为Y轴，通过定义的初始位置和在当前目标机器人上的多个UWB模块的安装位置，得到当前目标机器人的多个UWB模块的坐标；
[0040]目标测距值为当前目标机器人上的多个UWB模块测量到另一目标机器人上的其中一个UWB模块的距离，根据目标测距值与当前目标机器人的多个UWB模块的坐标，计算得到另一目标机器人的多个UWB模块的定位坐标。
[0041]优选地，所述数据融合模块根据所述多个定位坐标确定该目标机器人的目标位置信息，具体为：
[0042]根据另一目标机器人的多个UWB模块的定位坐标，求取平均值后得到另一目标机器人的定位坐标。
[0043]与现有技术相比，本专利技术技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，其特征在于，至少包括两个目标机器人，每一个目标机器人均包括定位模块、IMU模块、数据融合模块以及多个UWB模块，其中：所述IMU模块获取目标机器人的目标加速度和目标角加速度；每一个所述UWB模块用于测量该UWB模块与其它目标机器人的UWB模块之间的距离，并将该距离作为初始测距值；所述定位模块根据IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度和每一个UWB模块获取的初始测距值，得到多个定位坐标；所述融合模块根据所述多个定位坐标确定该目标机器人的目标位置信息。2.根据权利要求1所述的基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，其特征在于，所述IMU模块包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述三轴加速度计用于测量目标机器人的目标加速度；所述三轴陀螺仪用于测量目标机器人的目标角加速度。3.根据权利要求1所述的基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，其特征在于，每一个所述UWB模块为UWB收发器；当该UWB模块进行测距时，该UWB模块作为定位标签；当该UWB模块以外的任一其他UWB模块进行测距时，该UWB模块作为定位基站。4.根据权利要求1所述的基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，其特征在于，所述定位模块包括第一定位模块、校准与补偿模块和第二定位模块，其中，所述第一定位模块用于根据所述IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度，计算目标机器人的第一位置信息；所述校准与补偿模块用于根据所述第一位置信息对UWB模块得到的初始测距值进行校准，得到目标测距值；所述第二定位模块用于根据目标机器人的多个UWB模块的所述目标测距值，得到多个定位坐标。5.根据权利要求4所述的基于UWB和IMU融合的多机器人协同定位系统，其特征在于，所述第一定位模块用于根据所述IMU模块获取的目标加速度和目标角加速度，计算目标机器人的第一位置信息，具体为：模块获取的目标加速度a和目标角加速度ω，已知上一时刻的位置，利用以下公式计算当前位置：ω＝ω
b
+b
g
+n
g
a＝q
bw
(a
w
+g
w
)+b
a
+n
a
式中，上下标w表示世界坐标系，上下标b表示IMU本体坐标系，q
bw
表示从w坐标系到b坐标系的旋转四元数；又有p＝(x，y)表示位置，v表示速度，q表...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶燕燕，欧阳磊，邬霞，黄政杰，吴元清，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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