CN104748743A - Uwb定位辅助地图修正方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及室内定位技术领域，公开了一种UWB定位辅助地图修正方法及系统。该方法包括步骤：获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。本发明通过UWB技术帮助智能机器人实现定位，进而通过定位信息辅助修正扫描地图，可大幅提高机器人定位的精度和可靠性，同时提高了扫描地图的识别和定位精度，使得智能机器人的自主移动更为准确高效可靠。

Description

UWB定位辅助地图修正方法及系统
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，特别涉及一种UWB定位辅助地图修正方法及系统。
背景技术
随着计算机处理能力、传感器和人工智能技术的发展，机器人研究的主流方向已逐渐向可移动的智能机器人转移。原先传统固定机械臂式工业机器人所未考虑的问题也日益凸显出来，成为智能机器人所必须克服的技术难点。最典型的，比如位置识别和路径规划，就是智能机器人在移动之前必须具备的自主处理能力，其处理效率及可靠性直接决定了机器人自主移动的智能程度。
现有技术中，GPS定位技术虽然已比较成熟，但其仅可用于户外定位，定位精度和信号质量均无法适用于室内环境。因此，目前室内服务机器人主要依赖SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同步定位与建图)技术来实现全自主移动。SLAM技术中，机器人首先借助传感器设备探测周边环境建立地图，同时识别并标注自身当前在地图中位置，对于建图和标注，现有技术一般采用的方式有：栅格、几何信息和拓扑图表示法。其中，栅格表示法分别扫描多个栅格区域后进行叠加，得到详细地图并进行定位；几何信息法则是采集被扫描物的几何特征，利用不同的几何信息进行定位；拓扑图法则是将环境特征抽象为拓扑点和线，利用拓扑形状规划机器人移动。
现有技术各方案的优缺点均较为明显，其中栅格法精度较高，但计算量大且栅格叠加会造成地图偏移，可靠性不强；几何信息法计算量稍小，但相应地精度偏低；拓扑图法计算量最小、效率高，但因拓扑表示过于抽象，无法准确分辨相似场景，错误率较高。除了上述明显缺陷，现有技术更大的问题在于各方案均无法适用于复杂环境或复杂应用，尤其是其定位方式依赖于特定障碍物或标志物，要求机器人在启动时启动地点和角度固定，否则需要大范围扫描重新构建地图，这给实际应用带来了极大不便。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现智能机器人的快速高精度的定位。
为解决该问题，一方面，本发明提供了一种UWB定位辅助地图修正方法，该方法包括步骤：
获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；
标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；
根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；
根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。
优选地，所述方法中，根据测量参数的不同，所述计算采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种方式进行。
优选地，所述获取预设区域的初始地图信息为在预设区域内移动测量生成预设区域的初始地图。
优选地，所述方法中，所述多个节点的位置固定且已知，各节点位置和标签的位置信息采用统一坐标系的坐标来表示和标注。
优选地，所述同步更新地图信息为：在获得位置信息后，进一步结合对当前位置周边环境的扫描结果，判断已有的地图信息是否准确；若地图信息存在偏差，则同步更新本地和服务器中的地图信息。
另一方面，本发明还同时提供一种UWB定位辅助地图修正系统，该系统包括：
初始化模块，用于获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；
UWB模块，用于使标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；
定位模块，用于根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；
修正模块，用于根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。
优选地，所述系统为机器人，还包括：行进系统、控制系统、地图及位置测量系统、智能语音交互系统和通讯系统、图像识别和人脸交互系统和供电与自动回充系统；
其中，行进系统用于实现机器人的移动；控制系统用于将一个坐标转换成具体指令的控制系统；地图及位置测量系统用于扫描周围环境建立地图；智能语音交互系统和通讯系统用于和服务器进行交互；图像识别和人脸交互系统用于获得当前环境并确定捕捉到人脸和确认身份；供电与自动回充系统用于提供电源并在电量不足时返回充电桩充电的。
优选地，所述定位模块根据测量参数的不同，采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种方式进行所述计算。
优选地，采用基于接收信号时间的差值进行计算时，所述定位模块还包括：
独立时差计数器，用于统一记录UWB脉冲到达至少三个节点的接收时间差，利用时间差和节点间的差异计算出标签的位置信息。
优选地，所述系统还包括：
移动终端，用于通过自身的通讯单元与服务器和/或机器人交互，向机器人发出移动指示或服务任务。
本发明的技术方案提供了一种UWB定位辅助地图修正方法及系统，通过UWB技术帮助智能机器人实现定位，进而通过定位信息辅助修正扫描地图，可大幅提高机器人定位的精度和可靠性，同时提高了扫描地图的识别和定位精度，使得智能机器人的自主移动更为准确高效可靠。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中UWB定位辅助地图修正方法的流程图；
图2为UWB定位的原理示意图；
图3为本发明的一个优选实施例中UWB节点设置效果示意图；
图4为本发明的另一个优选实施例中基于到达时间差进行定位的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
智能机器人的自主移动依赖于地图和自身位置来规划路径，其中地图的建立一般依赖于传感器对周边环境的感测，比如通过激光扫描获得环境中各标志物的位置和形状；而自身位置则依靠机器人的定位能力，现有技术的多种定位方式均是通过比对特定障碍物或标志物，过于依赖传感器对物体的识别能力，识别的正确率和设备成本很难有理想的平衡。
在本发明的一个实施例中，提供了一种UWB(Ultra-WideBand，超宽带)定位辅助地图修正的方法，通过UWB设备和技术实现机器人的定位，在机器人的室内活动区域中固定设置多个UWB节点，同时在机器人自身设置UWB标签。如图1的流程图所示，该方法包括步骤：
S1、获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；
S2、标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；
S3、根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；
S4、根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。
其中，UWB技术是一种使用1GHz以上带宽且无需载波的先进无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/s以上。由于不需要价格昂贵、体积庞大的中频设备，UWB无线定位系统的体积小且成本低。而UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于美国联邦通信委员会(FCC，Federal Communications Commission)规定的电磁兼容背景噪声电平，因此短距离UWB无线电通信系统可以与其他窄带无线电通信系统共存。
根据测量参数的不同，步骤S3中UWB定位的计算方式可采用基于接收信号强度(RSS，Received Signal Strength)、基于到达角度(AOA，Angle ofArrival)和基于接收信号时间(TOA/TDOA，Time of Arrival/Time Differenceof Arrival)中至少一种。进一步如图2所示，对于一个标签，其发出的脉冲信号分别到达至少两个节点的接收传感器，每个传感器接收信号时分别获得相应的物理量，图2中示出了两传感器可能有两个接收时间t1、t2，基于接收时间可以分别计算标签到两个传感器的距离，根据两距离的交集进一步计算出标签所在位置；或者两传感器可能有两个接收角度a1、a2，基于接收角度可以分别计算标签可能处于的方位，根据两方位的交集进一步计算出标签所在位置。实际情况中两传感器还可能有两个接收信号强度，基于信号强度同样可以分别计算标签到两个传感器的距离，随后计算标签所在位置。采用UWB技术实现定位，具有结构简单、隐蔽性好、保密性强、功耗低、多径分辨力强、数据传输率高、穿透能力强、定位精确、抗干扰能力强等优点，除可实现高效高精度的定位，更重要的是使得机器人的移动不仅仅依赖于扫描地图对物体的识别能力，提高了智能系统的性能和可靠性。
本发明的方法中，机器人在预设区域内移动测量生成预设区域的初始地图，该初始地图信息同时发送至服务器进行同步。移动测量包括但不限于通过激光测距仪、摄像头、红外成像等至少一种传感器扫描周边环境。
在一个室内活动区域中，原则上UWB节点设置的数量和位置不受限制，只要在区域内设置2个以上且设置后保持并记录其固定位置即可。在进行计算前，首先在地图中标注各节点位置，随后根据节点位置和计算出来的标签与节点的相对位置确定机器人在地图上的当前位置。本发明的优选实施例中，如图3所示，为简化计算模型，减少计算量，同时避免复杂环境对定位的干扰，将UWB节点固定设置在室内区域的四个角点，同时对机器人所携带的标签进行定位。定位时节点的固定位置和机器人的当前位置可以采用统一坐标系的坐标来表示和标注。此外，被定位的标签显然也不限于一个，通过标签ID的区别，本发明可同时对多个标签进行定位。
步骤S4中，在获得机器人的当前位置信息后，进一步结合机器人对当前位置周边环境的扫描结果，判断已有的地图信息是否准确(比如是否存在因栅格叠加造成的偏移、是否存在相似场景的错误识别、是否存在错误的路径规划等等)；若地图信息存在偏差，则同步更新机器人和服务器中的地图信息。由此，本发明通过增设UWB设备，实现对机器人扫描地图的修正，从而提高了扫描地图的识别和定位精度。
此外，本领域技术人员应理解，实现上述实施例方法中的部分或全部步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的相应步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与上述方法相对应的，本发明还同时提供一种UWB定位辅助地图修正系统，包括：
初始化模块，用于获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；
UWB模块，用于使标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；
定位模块，用于根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；
修正模块，用于根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。
上述系统主要设置在智能机器人上，同时依靠UWB节点和服务器实现。具体地，机器人还可包括：行进系统、控制系统、地图及位置测量系统、智能语音交互系统和通讯系统、图像识别和人脸交互系统和供电与自动回充系统。其中，行进系统用于实现机器人的移动；控制系统用于将一个坐标转换成具体指令的控制系统；地图及位置测量系统用于扫描周围环境建立地图；智能语音交互系统和通讯系统用于和服务器进行交互；图像识别和人脸交互系统用于获得当前环境并确定捕捉到人脸和确认身份；供电与自动回充系统用于提供电源并在电量不足时返回充电桩充电的。
UWB节点一般包括：UWB接收单元、通讯单元和电源装置；接收单元用于接收UWB脉冲信号并同时记录信号信息；通讯单元用于将信号信息传输给服务器；电源装置则保证节点的供电。
优选地，服务器一般包括：处理单元、存储单元、控制单元和通讯单元；处理单元用于对初始地图信息进行地图校正，比照实际场景完成去噪和优化，以形成与室内实际场景相匹配的室内地图；存储单元用于存储地图信息和接收到的位置关系信息；控制单元用于对机器人和/或UWB节点进行控制操作；通讯单元用于与机器人及UWB节点进行数据信息通讯。其中，位置信息的计算可由机器人、UWB节点和服务器中任意一方或多方进行，考虑到服务器本身具备相应的计算和处理能力，优选在服务器端进行，但该优选方式不应理解为对本发明具体实施例的限制，即上述定位模块可设置在机器人、UWB节点和/或服务器中。
在本发明的一个优选实施例中，基于接收信号时间的差值进行定位。如图4所示，采用一个独立时差计数器统一记录标签信号ω1、ω2、ω3到达各UWB节点BS1、BS2、BS3等(其中各节点的位置固定且已知)的时间差，利用时间差和节点间的差异即可计算出标签实际位置信息。采用该方式各节点间无须严格同步的参考时钟，避免了因参考时钟起点不同步带来的测量误差，从而在有效地提高定位精度的同时降低了系统实现复杂度。
在本发明的优选实施例中，还可进一步通过移动终端对机器人进行控制，移动终端通过自身的通讯单元与服务器和/或机器人交互，向机器人发出移动指示或服务任务。更优选地，移动终端也可携带UWB标签，通过相似的UWB定位技术在地图中进行定位，以便机器人准确为该移动终端用户服务。当同一区域存在多个移动终端时，通过唯一的终端ID进行识别和区分。
本发明的技术方案提供了一种UWB定位辅助地图修正方法及系统，通过UWB技术帮助智能机器人实现定位，进而通过定位信息辅助修正扫描地图，可大幅提高机器人定位的精度和可靠性，同时提高了扫描地图的识别和定位精度，使得智能机器人的自主移动更为准确高效可靠。
虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。

Claims (10)

1.一种UWB定位辅助地图修正方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；
标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；
根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；
根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，根据测量参数的不同，所述计算采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种方式进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取预设区域的初始地图信息为在预设区域内移动测量生成预设区域的初始地图。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中，所述多个节点的位置固定且已知，各节点位置和标签的位置信息采用统一坐标系的坐标来表示和标注。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步更新地图信息为：在获得位置信息后，进一步结合对当前位置周边环境的扫描结果，判断已有的地图信息是否准确；若地图信息存在偏差，则同步更新本地和服务器中的地图信息。
6.一种UWB定位辅助地图修正系统，其特征在于，所述系统包括：
初始化模块，用于获取预设区域的初始地图信息，并将所述初始地图信息与服务器同步；
UWB模块，用于使标签向多个节点同时发送UWB脉冲，各节点分别记录各自接收到的UWB脉冲信号信息；
定位模块，用于根据至少两个节点接收到的UWB脉冲信号信息计算标签的位置信息；
修正模块，用于根据位置信息和当前扫描结果与服务器同步更新地图信息。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统为机器人，还包括：行进系统、控制系统、地图及位置测量系统、智能语音交互系统和通讯系统、图像识别和人脸交互系统和供电与自动回充系统；
其中，行进系统用于实现机器人的移动；控制系统用于将一个坐标转换成具体指令的控制系统；地图及位置测量系统用于扫描周围环境建立地图；智能语音交互系统和通讯系统用于和服务器进行交互；图像识别和人脸交互系统用于获得当前环境并确定捕捉到人脸和确认身份；供电与自动回充系统用于提供电源并在电量不足时返回充电桩充电的。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述定位模块根据测量参数的不同，采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种方式进行所述计算。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，采用基于接收信号时间的差值进行计算时，所述定位模块还包括：
独立时差计数器，用于统一记录UWB脉冲到达至少三个节点的接收时间差，利用时间差和节点间的差异计算出标签的位置信息。
10.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
移动终端，用于通过自身的通讯单元与服务器和/或机器人交互，向机器人发出移动指示或服务任务。
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