基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法技术

本发明专利技术公开的基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法，原理简单、操作方便、优化效果显著。解决了传统单模态跟随技术中传感器抗干扰能力弱，跟随定位精度低、跟随范围小，跟随过程中无法准确识别目标与障碍物所导致的跟随过程中无法避障等问题，同时提高了复杂环境下机器人跟随过程中的鲁棒性和实时性。境下机器人跟随过程中的鲁棒性和实时性。境下机器人跟随过程中的鲁棒性和实时性。

【技术实现步骤摘要】
基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法


[0001]本专利技术属于机器人自主跟随方法
，具体涉及一种基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法。

技术介绍

[0002]随着移动机器人和人工智能方面的快速发展以及人类生活品质的大幅度提高，智能跟随避障机器人的需求也随之不断提升。要实现移动机器人对运动目标实时稳定的跟随与自主避障，就必须拥有优异的运动控制方法和快速准确的感知能力。为使系统适应更加复杂的环境，获取到更多的环境特征信息，相对于传统的单传感器技术，多传感器融合的机器人跟随与动态避障技术具有显著优势。
[0003]跟随机器人定位一般采用GPS、红外线、射频、WIFI、超声波或机器视觉来实现，但将其应用于自动跟随系统，各自存在不同的优劣势。超宽带UWB无线电定位是上述无线技术中最有前途的技术，不使用载波，使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。超宽带能够提供精确定位精度，具有低功耗、不受光照影响以及抗多径干扰特性。当机器人在实际复杂环境中移动时，无法避免遇到未知障碍物，对动态障碍物的检测、控制机器人避障是智能跟随领域的一大难点。激光雷达是一种用于获取物体精确位置信息的传感器，相比于传统机器视觉等技术，具有分辨率高、抗干扰能力强以及不受光照影响等特点，可以通过激光雷达获取真实环境信息，通过测距技术获取障碍物位置信息。因此，本专利技术考虑多模态融合技术，在使用UWB传感器实现稳定跟随功能的基础上增加激光雷达传感器以实现移动机器人复杂环境下的智能跟随与动态避障。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法，传统单模态跟随技术中抗干扰性弱、跟随效果差、跟随过程中无法实现智能避障的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、在机器人上布置激光雷达，再将两个UWB基站间隔距离c布置于机器人上，一个UWB标签携带于所要跟随的目标；
[0007]步骤2、通过TW
‑
TOF测距算法分别获取机器人上两个UWB基站与目标所携带UWB标签的距离值a、b；
[0008]步骤3、将步骤2所得距离值a、b进一步处理得到机器人上两个UWB基站与目标的角度α、β和机器人与目标之间的水平距离d，根据角度α、β和水平距离d赋予机器人自适应角速度和线速度进行目标跟随；
[0009]步骤4、通过激光雷达扫描并获取机器人与前方物体的最小距离r；
[0010]步骤5、将步骤4所得最小距离r与步骤3所得水平距离d进行对比，若最小距离r与水平距离d大小相同，则判断机器人前方物体为所要跟随的目标并继续跟随，反之则判断机
器人前方物体为障碍物并进入下一步骤；
[0011]步骤6、将最小距离r与水平距离d导入势场法进行避障操作。
[0012]本专利技术的特点还在于，
[0013]步骤2中的TW
‑
TOF测距算法采用公式(1)求得距离值a为：
[0014][0015]式(1)中，c为光速，t0为基站A0向UWB标签发送信号时刻与接收标签返回信号时刻差值，t1为标签处理信号时延，t2为基站A0处理信号时延，t3为标签向基站A0发送信号时刻与接收基站A0返回信号时刻差值，T0为基站A0向标签发射信号时刻，T1为标签接收信号时刻，T2位标签向基站A0返回信号时刻，T3为基站A0接收信号时刻，T4为基站A0第二次向标签发射信号时刻，T5为标签接收信号时刻；
[0016]所述步骤2中的TW
‑
TOF测距算法采用公式(2)求得距离值b为：
[0017][0018]式(2)中，c为光速，t
’0为基站A1向UWB标签发送信号时刻与接收标签返回信号时刻差值，t
’1为标签处理信号时延，t
’2为基站A1处理信号时延，t
’3为标签向基站A1发送信号时刻与接收基站A1返回信号时刻差值，T
’0为基站A1向标签发射信号时刻，T
’1为标签接收信号时刻，T
’2位标签向基站A1返回信号时刻，T
’3为基站A1接收信号时刻，T
’4为基站A1第二次向标签发射信号时刻，T
’5为标签接收信号时刻。
[0019]步骤3具体包括以下步骤：
[0020]步骤3.1、通过公式(3)计算机器人上两个UWB基站与目标的角度α、β和水平距离d：
[0021][0022]式(3)中，a、b分别为步骤2中两个UWB基站与UWB标签的距离值，h为UWB标签的高度，α为基站A0与UWB标签的夹角大小，β为基站A1与UWB标签的夹角大小；
[0023]步骤3.2、判断水平距离d是否大于1m，若小于1m则使机器人角速度与线速度均为0即停止跟随；若大于1m则继续判断角α是否连续三次为大于100
°
；若α大于100
°
则证明目标在机器人左前方，此时赋予机器人向前的线速度和向左的角速度使机器人向左前方运动实现跟随；若α小于100
°
，则判断角β是否连续三次大于100
°
，若β大于100
°
，则表明目标在机器人右前方，此时赋予机器人向前的线速度和向右的角速度使机器人向右前方运动实现跟随，但若角β同样小于100
°
，则表明目标在机器人正前方，只需赋予机器人向前的线速度使机器人直行直到判段结果发生变化。
[0024]步骤4中激光雷达的扫描范围为机器人前方左右各45
°
。
[0025]步骤6具体包括以下步骤：
[0026]步骤6.1、向UWB标签信息分配引力，引力系数为：
[0027][0028]式(4)中，ξ是尺度因子，将式(4)对距离求导则为引力：
[0029][0030]步骤6.2、向激光雷达扫描到的物体分配斥力，斥力系数为：
[0031][0032]式(6)中，η是斥力尺度因子，p0为每个障碍物的影响范围，斥力则为：
[0033][0034]步骤6.3、采用激光雷达直接获取障碍物与机器人的距离、方位和个数信息，若机器人位于障碍物作用范围内，则分别计算各个障碍物产生的斥力，求出斥力的合力；
[0035]步骤6.4、结合步骤6.1中式(5)求得引力F
aat
(q)与步骤6.2中式(7)和步骤6.3所求得斥力的合力F
rep
(q)，判断总合力F(q)大小和方向：
[0036]U(q)＝U
att
(q)+U
rep
(q)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0037][0038]若总合力F(q)不为0，则沿合力方向驱动机器人移动实现跟随，若总合力为0，则施加一个横向逃逸力使机器人摆脱局部最优问题后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在机器人上布置激光雷达，再将两个UWB基站间隔距离c布置于机器人上，一个UWB标签携带于所要跟随的目标；步骤2、通过TW
‑
TOF测距算法分别获取机器人上两个UWB基站与目标所携带UWB标签的距离值a、b；步骤3、将步骤2所得距离值a、b进一步处理得到机器人上两个UWB基站与目标的角度α、β和机器人与目标之间的水平距离d，根据角度α、β和水平距离d赋予机器人自适应角速度和线速度进行目标跟随；步骤4、通过激光雷达扫描并获取机器人与前方物体的最小距离r；步骤5、将步骤4所得最小距离r与步骤3所得水平距离d进行对比，若最小距离r与水平距离d大小相同，则判断机器人前方物体为所要跟随的目标并继续跟随，反之则判断机器人前方物体为障碍物并进入下一步骤；步骤6、将最小距离r与水平距离d导入势场法进行避障操作。2.如权利要求1所述的基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法，其特征在于，所述步骤2中的TW
‑
TOF测距算法采用公式(1)求得距离值a为：式(1)中，c为光速，t0为基站A0向UWB标签发送信号时刻与接收标签返回信号时刻差值，t1为标签处理信号时延，t2为基站A0处理信号时延，t3为标签向基站A0发送信号时刻与接收基站A0返回信号时刻差值，T0为基站A0向标签发射信号时刻，T1为标签接收信号时刻，T2位标签向基站A0返回信号时刻，T3为基站A0接收信号时刻，T4为基站A0第二次向标签发射信号时刻，T5为标签接收信号时刻；所述步骤2中的TW
‑
TOF测距算法采用公式(2)求得距离值b为：式(2)中，c为光速，t
’0为基站A1向UWB标签发送信号时刻与接收标签返回信号时刻差值，t
’1为标签处理信号时延，t
’2为基站A1处理信号时延，t
’3为标签向基站A1发送信号时刻与接收基站A1返回信号时刻差值，T
’0为基站A1向标签发射信号时刻，T
’1为标签接收信号时刻，T
’2位标签向基站A1返回信号时刻，T
’3为基站A1接收信号时刻，T
’4为基站A1第二次向标签发射信号时刻，T
’5为标签接收信号时刻。3.如权利要求1所述的基于UWB与激光雷达数据相融合的多模态跟随方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1、通过公式(3)计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丹，赵沛岩，税翔，汤林海，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：