CN105657668A - 一种基于uwb的室内移动机器人定位与导航控制方法 - Google Patents

一种基于uwb的室内移动机器人定位与导航控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个基站之间的距离；而标签的定位方法是通过采用TOF定位方法，按照设定的机制，通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与4个基站（其中1个为通信基站）之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。本发明通过UWB技术对室内机器人的无线定位控制，加以配合先进的测距方法，可以获得更高的定位精度和稳定性。

Description

一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法
技术领域
本发明属于室内机器人通信技术和控制技术领域，具体涉及一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法。
背景技术
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，移动机器人的服务已经深入到社会生产的各个方面。
目前，室内移动机器人主要依靠AGV小车来实现。AGV小车路径控制主要有轨道引导和视觉引导两种方式。轨道引导需要在作业现场铺设轨道引导小车行进，这样的路径控制方式的不足是：（1）轨道的铺设使得工业作业现场AGV小车路径灵活性不足，加工工艺的改变，需要用户改变铺设的轨道；（2）对于多移动机器人的复杂路径或交叉路径，铺设轨道的方式，是无法引导AGV小车的。视觉引导方式是使用基于图像背景的定位原理，引导小车行进，存在的不足：（1）位置精度误差大；（2）作业环境的改变，需要重新布置图像背景。
针对上述AGV小车路径控制方式和定位原理，无线定位方案明显弥补了其定位的不足。目前无线定位技术有很多，包括Wifi、RFID、超声波和蓝牙等，各种定位技术特点如表1所示，然而其定位实现均存在一个共性问题-定位精度是米级水平，正是这一问题的存在，限制了无线定位技术在室内环境中的应用。
表1无线定位技术特点
定位技术 特点
蓝牙 亚米级定位精度，用于移动用户定位
Wifi 米级定位精度，用于已部署网络区域
RFID 定位精度变化较大，用于商品物流
超声波 定位精度变化较大，用于功能受限的室内定位
UWB 厘米级定位精度，用于室内精确定位
UWB技术是一种利用亚纳秒级超窄脉冲的无载波通信技术。相对于其他定位技术，UWB技术具有以下优势：
1.通信距离远，能实现百米范围内有效通信，满足室内定位需要
2.高数据传输速率，10米范围内数据传输速率达到百Mbit/s，甚至到达Gbit/s
3.抗干扰能力强，多径分辨能力强
4.功耗小，发射功率在mW级别
5.时间分辨率高，时间区分度在亚纳秒级别
UWB室内定位技术在理论上可以将误差控制在10cm，实际应用中能控制误差在20cm内。相对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可以保证室内机器人具有更高的定位精度和稳定性的基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法。
技术方案：本发明所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，包括：
单个标签与单个基站之间的测距：通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个基站之间的距离；
单个标签与多个基站之间的测距：标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基站的回应时间；基站接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待标签请求信号；标签发送请求帧后，进入接收状态，等待基站回应信号；各基站依据通信前标签分配的回应时间，依序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号；标签接收完各基站回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应基站；各基站在接收标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至标签；基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器；标签获取与各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移动机器人控制器，另一方面，经通信基站，上传至服务器，供后续应用软件使用；
多标签与多个基站之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个标签设置一个时间片：当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距；基站在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标签只能在这个时间片上主动呼叫基站；
标签的定位：采用TOF定位方法，标签与基站之间通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与多个基站之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。
进一步的，在多标签与多个基站之间的测距过程中，为了优化系统性能，基站会定期地扫描标签，用来清除那些长时间没有呼叫动作的标签，更新标签时间片。
进一步的，标签的定位发生误差时，多个定位圆并不相交于一点，这种情况下，利用定位算法从有限的定位圆交点中选择若干个合理的交点做进一步处理，最终得到标签坐标。
进一步的，所述标签中的单片机在计算得到自身坐标信息后，一方面，经通信接口，将坐标信息传至移动机器人控制器；另一方面，可经通信基站和网络将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理。
进一步的，用户通过访问系统服务器，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，通过互联网改变移动机器人的预设行进路线，实现对移动机器人的路径规划，以满足对生产工艺的需求。
进一步的，移动机器人获取标签的当前坐标信息和用户设定的目标位置及预设路径信息，自动进行路径规划和前行，并能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理，到达指定的工位进行后续加工。
进一步的，在标签的定位中所述的多个基站中其中有一个为通信基站。
有益效果：本发明通过UWB技术对室内机器人的无线定位控制，加以配合先进的测距方法，可以获得更高的定位精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统控制效果图；
图2为本发明的基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统结构框图；
图3为本发明的标签与基站的信息流向示意图；
图4为本发明在无误差下TOF定位示意图；
图5为本发明在有误差下TOF定位示意图；
图6为本发明测距原理结构示意图；
图7为本发明多基站通信测距原理结构示意图；
图8为本发明TOF定位实现步骤流程示意图；
图9为本发明的标签时间片结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的工作原理以及具体的技术方案作进一步详细说明：
室内移动机器人应用可以概括为两大部分：定位和导航。定位是指移动机器人依托4个基站的测距数据，实时计算得到自身的平面位置信息S(x,y)；导航是指移动机器人，根据自身当前位置信息、用户设定的目标位置及预设路径信息（用户设定机器人的行走路径），能自动进行路径规划，并控制移动机器人前行。同时移动机器人能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理
图1为基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统控制效果图，模拟具有4个生产工位的工作车间，5个移动机器人实现工位间自动搬运原料进行加工的场景。
车间室内顶部安装有4个使用UWB技术的基站（基站1、基站2、基站3和基站4），移动机器人上同时安装有使用UWB技术的标签。标签按照设定机制与基站进行通信，可以计算自身的坐标位置S(x,y)（坐标位置由标签单片机计算）。标签单片机在计算得到自身坐标信息后，一方面，经通信接口，将坐标信息传至移动机器人控制器；另一方面回送通信基站。通信基站利用Wifi网络将将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理。
针对生产流程多变的作业现场，系统满足用户的个性化需求。用户通过访问系统服务器，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，通过互联网改变移动机器人的预设行进路线，实现对移动机器人的路径规划，以满足对生产工艺的需求。
移动机器人获取标签的当前坐标信息和用户设定的目标位置及预设路径信息，自动进行路径规划和前行，并能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理，到达指定的工位进行后续加工。
图1中虚线表示用户通过客户端软件设定的移动机器人目标位置（即指工位1、工位2、工位3、工位4）和预设路径。如图所示，工位2和工位3之间存在障碍物，移动机器人自动完成避障；工位1和工位4之间，两个向不同方向行进的移动机器人自动进行防碰撞处理。
系统框架为三层结构，如图2所示，分别为设备层、中间层和应用层。
设备层完成系统硬件平台的搭建，主要包括基站、标签、移动机器人和Wifi通信模块的硬件设计。其中基站与标签完成定位功能，Wifi模块和通信基站（基站分为通信基站和普通基站）用于连接设备层和中间层，实现信息的上传和下达。标签与基站之间，按照设定的机制，通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与4个基站（其中1个为通信基站）之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，利用定位算法求解标签坐标信息；标签在获得坐标信息后，一方面将坐标信息传至与标签一体的移动机器人控制器，用于机器人导航控制；另一方面回送通信基站。通信基站利用Wifi网络将将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理；
设备层标签安装在移动机器人本体上，并与移动机器人控制器使用串口进行通信。移动机器人通过标签、通信基站、Wifi网络、服务器和因特网实现与客户端软件的信息交互。
中间层主要包括数据库、数据分析软件和服务器，主要完成数据存储转发、分析处理和远程访问控制功能。使用SQLServer2012软件，完成数据库的建立、存取和维护；使用C#开发数据分析软件，并利用.NET平台提供的接口，实现与数据库数据的交互，完成对各种数据的分析处理；为实现远程访问系统数据的目的，中间层将设计基于Socket的网络后台服务器。
应用层主要提供友好的远程客户端软件界面，利用Visualstudio平台开发C#软件，进行移动机器人状态信息在线更新、移动机器人路径规划和其他相关报表的生成。
基站和标签是整个系统的核心，最终实现定位和导航功能。图3表示N个标签和4个基站之间的信息流向关系。每个标签都需要依次与各基站进行UWB通信，标签按照设定机制完成一轮通信后可以计算获得自身的坐标位置。为了实现设备层与中间层信息互联，系统在设备层设有通信基站（如基站1），相对于普通基站（如基站2、基站3、基站4），通信基站上安装Wifi模块，能够利用Wifi网络连接至中间层服务器。
下面阐述上述一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统的定位与测距的相关控制方法：
本发明采用TOF定位原理：标签与基站之间通过UWB信号，按照设定的机制进行通信测距；标签与1个通信基站和3个基站通信测距，获得4个距离值；从4个距离值中通过测距可信度算法选取可信度高的3个距离值；在得到标签与各基站距离的基础上，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。如图4所示，已知标签与三个基站之间的距离为d1、d2、d3，在不考虑误差的情况下，三个定位圆必然相交于一点，该交点即为标签坐标位置。
实际应用中，由于测量误差的存在，多个定位圆并不相交于一点，如图5所示，这种情况下，利用定位算法从有限的定位圆交点中选择若干个合理的交点做进一步处理，最终得到标签坐标。
定位计算（三角质心法）：
在理想情况下，以基站为圆心，以标签到3个基站的距离为半径画圆，3个圆交于一点，即为标签的位置（图4所示）。
设有n个基站，坐标为(xn,yn)，待定位标签坐标为S(x,y)，第n个基站到标签的距离为dn，可得公式如下（n=3）：
解得Ax=b，其中x=[x,y]T,
，
实际情况中由于多径误差及非视距误差的存在，会使测距结果存在一个正的偏差。以3个基站为例，如图5所示。通过求解两两圆的交点坐标，获得6个坐标点，选取相近3个坐标点P1、P2、P3。
标签坐标S(x,y)就在这三个圆的公共交集区域内。通过取三角形的质心，作为标签坐标S(x,y)的估计位置。则S(x,y)为：
。
TOF测距原理：
测距原理：硬件上标签和基站均使用UWB收发芯片DW1000，DW1000是一款高度集成化的低功耗的UWB无线信号收发芯片，其兼容IEEE802.15.4-2011标准。DW1000芯片自主获得UWB信号从发送方到接收方的飞行时间来完成，图6表明一次测距工作实现的具体步骤，图中各标注时间代表UWB信号离开天线或到达天线的时间点，标签发送poll信号后等待基站回应，基站接收标签poll帧后，保持特定的时间，然后向标签作出response应答帧，标签接收到基站response帧后，将tsp、trr和tsf时间点放入final帧中，发送给基站。标签单片机，依据公式（2）、公式（3）便可以计算出与标签之间的信号飞行时间tof和距离d。
tof=((trr-tsp)-(tsr-trp)+(trf-tsr)-(tsf-trr))/4（2）
d=tof*信号传播速率（3）
上述通信过程可以实现标签与一个基站的距离测量，实际应用中标签需要与多个基站进行通信测距，因此，系统定位功能使用如图7所示通信方式实现，标签通过轮询某几个基站，使用特定的通信协议，计算标签与各基站的距离，从而解析出标签坐标S(x,y)。
图7以一个标签和三个基站为例，标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基站的回应时间（如图示回应时间1、回应时间2、回应时间3）；基站接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待标签请求信号；标签发送请求帧后，进入接收状态，等待基站回应信号；各基站依据通信前标签分配的回应时间，依序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号；标签接收完各基站回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应基站；各基站在接收标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至标签；基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器；标签获取与各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移动机器人控制器，另一方面回送通信基站。通信基站利用Wifi网络将将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理；
以标签和基站1为例，距离d1的计算公式如公式（4）：
d1=((trr1-tsp)-(tsr1-trp1)+(trf1-tsr1)-(tsf-trr1))*信号传播速率/4（4）
TOF定位计算实现主要分为五部分，如图8所示。
实际应用中需要对多个标签进行定位，基于通信的定位方法在多标签下易引发冲突，原因是多个标签可能同时竞争几个相同的基站，如图3所示。
为解决上述问题，必须要做好标签防冲突处理，即协调多个标签的行为，借鉴操作系统的运行方式，系统采用类似于操作系统中“按时间片轮转方式运行”的方法，如图9所示，为每一个标签设置一个时间片，其做法是当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距；基站在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标签只能在这个时间片上主动呼叫基站；为了优化系统性能，基站会定期地扫描标签，用来清除那些长时间没有呼叫动作的标签，更新标签时间片。多标签与基站测距的原理和定位计算公式同上述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：包括：
单个标签与单个基站之间的测距：通过设置在标签以及基站上的UWB通讯芯片来自主获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘以信号传播速率就可以得到单个标签与单个基站之间的距离；
单个标签与多个基站之间的测距：标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基站的回应时间；基站接收标签广播帧后，重新进入接收状态，等待标签请求信号；标签发送请求帧后，进入接收状态，等待基站回应信号；各基站依据通信前标签分配的回应时间，依序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号；标签接收完各基站回应帧后，将各关键帧时间戳打包形成终止帧，以广播方式发送给相应基站；各基站在接收标签终止帧后，解析帧包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入回应帧返送至标签；基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器；标签获取与各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移动机器人控制器，另一方面，经通信基站，上传至服务器，供后续应用软件使用；
多标签与多个基站之间的测距：通过采用“按时间片轮转方式运行”的方法，为每一个标签设置一个时间片：当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帧，请求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距；基站在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标签只能在这个时间片上主动呼叫基站；
标签的定位：采用TOF定位方法，标签与基站之间通过UWB信号的飞行时间，进行测距；在标签获得与多个基站之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，以各基站坐标为圆心，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：在多标签与多个基站之间的测距过程中，为了优化系统性能，基站会定期地扫描标签，用来清除那些长时间没有呼叫动作的标签，更新标签时间片。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：标签的定位发生误差时，多个定位圆并不相交于一点，这种情况下，利用定位算法从有限的定位圆交点中选择若干个合理的交点做进一步处理，最终得到标签坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：所述标签中的单片机在计算得到自身坐标信息后，一方面，经通信接口，将坐标信息传至移动机器人控制器；另一方面，可经通信基站和网络将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：用户通过访问系统服务器，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，通过互联网改变移动机器人的预设行进路线，实现对移动机器人的路径规划，以满足对生产工艺的需求。
6.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：移动机器人获取标签的当前坐标信息和用户设定的目标位置及预设路径信息，自动进行路径规划和前行，并能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理，到达指定的工位进行后续加工。
7.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，其特征在于：在标签的定位中所述的多个基站中其中有一个为通信基站。
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