CN107270913A - 一种面向家庭服务机器人的联合定位系统及方法 - Google Patents

一种面向家庭服务机器人的联合定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向家庭服务机器人的联合定位系统及方法，包括定位节点系统和机器人系统，定位节点系统包括一个标签节点和多个锚节点，所述标签节点设置于机器人本体上，跟随机器人本体运动，所述锚节点记录锚节点到标签节点的TOA值，并将该数据回传给标签节点；机器人系统，包括设于机器人本体的上层处理系统和下层控制系统，所述上层处理系统包括处理器，被配置为采用Fang算法和泰勒级数展开法进行联合定位，确定标签节点与各个锚节点的位置，以实现对于机器人的定位，并控制机器人本体进行相应的运动，实现了机器人的绝对定位。

Description

一种面向家庭服务机器人的联合定位系统及方法
技术领域
本发明涉及一种面向家庭服务机器人的联合定位系统及方法。
背景技术
伴随着人们对精确无线定位的迫切需求，其技术发展越来越迅猛，应用领域也变的更加广阔，例如：火场中被救人员的精确定位，物流仓库中货物的定位，家庭环境中服务机器人的定位等。目前实际工程中应用广泛的无线定位方法主要有：蓝牙无线定位方法、Wi-Fi无线定位方法、ZigBee无线定位方法等等。随着无线通信技术的发展，可用的频谱资源日渐匮乏，因此，迫切需要提出一种与其他通信频谱互不干扰的通信技术，超宽带(UltraWide Band,UWB)定位技术应运而生。
机器人自定位的精准性作为服务机器人重要的性能指标之一，是机器人完成运动控制和其它任务功能模块的基础。而传统的无线定位方法存在着控制精度不高、控制算法过程复杂和计算量大等各种不足，如Fang算法利用已知节点与未知节点之间的TDOA值建立双曲线方程，然后对方程进行线性化近似求得未知节点的位置估计，其不能通过增加参考点数目提高定位精度，只能使用固定的TDOA测量值进行定位等。
因此研究基于超宽带的定位技术具有重大的实际意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种面向家庭服务机器人的联合定位系统及方法，本发明能够实现机器人在室内环境下的绝对定位。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，包括定位节点系统和机器人系统，其中：
所述定位节点系统包括一个标签节点和多个锚节点，所述标签节点设置于机器人本体上，跟随机器人本体运动，所述锚节点记录锚节点到标签节点的TOA值，并将该数据回传给标签节点；
所述机器人系统，包括设于机器人本体的上层处理系统和下层控制系统，所述上层处理系统包括处理器，被配置为采用Fang算法和泰勒级数展开法进行联合定位，确定标签节点与各个锚节点的位置，以实现对于机器人的定位，并控制机器人本体进行相应的运动；
所述下层控制系统，包括无线通信模块和控制器，控制器通过无线通信模块与上层处理系统通信，接收上层处理系统下达的控制指令，控制机器人本体执行相应的运动操作。
进一步的，所述定位节点系统包括一个标签节点和至少三个锚节点，锚节点在分别固定在坐标确定的某个位置。
进一步的，所述标签节点与锚节点之间用的协议是IEEE超宽带协议。
进一步的，所述下层控制系统包括主控制器，所述主控制器连接有电源模块、蓝牙模块、存储模块和超宽带芯片。
进一步的，所述主控制器与超宽带芯片之间采用SPI协议。
进一步的，所述主控制器与显示屏连接，显示调试信息，且与显示屏采用的是I2E协议。
进一步的，所述机器人本体外表面设置避障探测器。
进一步的，所述机器人本体下端设置有若干个跌落探测器。
基于上述系统的工作方法，在机器人本体上设置标签节点，跟随机器人本体运动，在机器人本体的活动区域内设置多个位于不同位置的锚节点，记录锚节点到标签节点的TOA值，并将该数据回传给标签节点；接收标签节点采集的各个TOA值，采用Fang算法和泰勒级数展开法进行联合定位，确定标签节点与各个锚节点的位置，以实现对于机器人的定位，并控制机器人本体进行相应的运动。
进一步的，联合定位的具体步骤包括：对得到的TOA值进行求差，得到一组TDOA，对获得的每一组TDOA数据信号直波鉴定，如果在数据中不存在NLOS情况，对该组TDOA数据进行Fang算法估计，否则对该组TDOA数据进行Fang算法估计，确定初始值，运用泰勒级数展开法对初始值进行迭代，确定目标节点位置估计。
进一步的，上层处理系统被配置有蓝牙串口数据包的接收线程、TDOA定位算法线程和节点配置线程，当定位系统开始运行时，上层处理系统接收上传的数据，当数据包接收完成并且校验正确后对数据包进行解析，之后调用TDOA定位算法函数进行定位计算。
进一步对，上电后系统首先进行初始化，检查系统存储历史数据标志位是否置位，如果置位，则直接将存储的数据通过无线的方式发送给上位机，发送完毕以后，开启测距算法；如果存储历史数据标志位没有被置位，直接开启测距算法，在测距成功以后，底层会对数据进行整理打包，然后约定的协议通过无线的方式发给上位机，如果发送成功，则直接进行倒计时准备下一次测距算法的开启；如果不成功，则将数据保存在外部存储器，等待网络恢复后再上传数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
家庭服务机器人所处的家庭环境通常比较复杂，机器人的定位是机器人完成运动和其他任务模块的基础，本文采用最新的超宽带定位技术，对室内静止节点与运动节点进行了测试，定位精度超过传统无线定位方式。
该定位系统底层采用双向测距算法，上位机采用了联合定位算法：Fang算法-泰勒级数展开法，是该系统具有较高的定位性能。
为了确保机器人的安全可靠运行，服务机器人具备故障检测及自处理功能，可以实时监控机器人的运行状况，及时处理疯跑、过流、通信乱码等机器故障。同时，该机器人配有避障系统和防跌落系统，在用户使用的过程中自动规避障碍物，起到自我保护的作用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的系统总体架构；
图2为本发明的系统硬件总体结构；
图3为本发明的定位系统底层的主要功能框图；
图4为本发明的定位系统底层软件执行过程；
图5为本发明的标签节点与锚节点显示界面；
图6为本发明的RTLS定位流程图；
图7为本发明的机器人仰视图；
图8为本发明的侧视图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在传统的无线定位方法存在着控制精度不高、控制算法过程复杂和计算量大的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种面向家庭服务机器人的定位系统。
整个设计包括定位节点、上位机显示界面、机器人本体三部分。
所述定位节点包括Anchor(锚节点)与Tag(标签节点)。在实际应用中，系统需要一个标签节点和n(n>＝3)个锚节点。锚节点在系统中是固定与坐标确定的某个位置，标签节点可以随意移动。其中锚节点记录了锚节点到标签节点的TOA值，该数据会回传给标签节点，便于标签节点的本地信息显示。
所述上位机显示界面，标签节点通过无线设备将数据发送给上位机，由运行于上位机上的RTLS软件进行实时定位，RTLS同时可以对锚节点和标签节点进行配置。
所述机器人本体由上层处理系统和下层控制系统组成，它们之间通过RS232串口进行通信。标签节点佩戴在机器人本体顶部，便于信号的接收。
所述节点需要要满足一下要求：支持多种供电方式；具备无线通信功能，支持设备远程交互；具备良好的显示功能；数据存储；超低功耗。
其中的超低功耗方面，在采用电池供电时，设备需要连续稳定运行半年以上，因此在器件选型以及软件设计方面都需要考虑好功耗的问题。其中底层需要具备无线通信功能，底层系统采集数据，然后向上位机发起通信请求，将采集的数据发送给上位机，然后上位机对底层系统下达各种命令等。由于在室内应用的情况下，传输距离不需要太远，选择的器件在满足传输距离的情况下，选择功耗较低的器件。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本系统由两部分组成：系统硬件和系统软件。其中硬件部分又包括底层硬件与底层嵌入式软件两部分。节点分为两类：(Anchor)锚节点与(Tag)标签节点。在实际应用中，系统需要一个标签节点和n(n>＝3)个锚节点。锚节点在系统中是固定在坐标确定的某个位置，标签节点可以随意移动。
本发现底层硬件总体结构如图2所示，其主体为微处理器最小系统、基于IEEE802.15.4a协议的无线传感器以及其他硬件部分等。电源管理单元为整个系统提供稳定可靠的输出电压及电流，电池电量由主控核心测量，在OLED上实时显示，可实现低压报警及关断功能；
本发明底层的主要功能框图如图3所示，其主要包含数据采集、处理功能、各种信息显示功能、上下位机通信功能和数据存储功能等。定位系统底层软件执行过程如图4所示。上电后系统首先进行初始化，开启OLED，接着检查系统存储历史数据标志位是否置位，如果置位，则直接将存储的数据通过无线的方式发送给上位机，发送完毕以后，开启测距算法。如果存储历史数据标志位没有被置位。则直接开启测距算法，在测距成功以后，程序会通过OLED对实时数据进行显示，同时底层会对数据进行整理打包，然后约定的协议通过无线的方式发给上位机，如果发送成功，则直接进行倒计时准备下一次测距算法的开启；如果不成功，则将数据保存在外部存储器，等待网络恢复后再上传数据。而在测距不成功的时候，程序直接回到一开始的系统存储历史数据标志位的判断出重新开始整个过程。
本发明底层软件选用CM3+μC/OS-II框架，其任务划分如表1所示。
表1
其中App_TaskMeasureDistance()任务是测量锚节点与标签节点距离的任务。App_TaskStandbyMode()任务是低功耗任务，主要用于启动监测终端的低功耗过程。STM32L15XXX系列MCU有七种低功耗模式：休眠模式，低功耗运行模式，低功耗休眠，停止模式(RTC开启)，停止模式(RTC关闭)，待机模式(RTC开启)，待机模式(RTC关闭)，以上七种模式功耗依次降低。在本系统中，根据实际情况选择的低功耗模式为待机模式(RTC开启)。进入待机模式(RTC开启)的方式：将PDDS bit+SLEEPDEEP bit+WFI or WFE标志位置位。本系统退出待机模式(RTC开启)的方式为RTC定时中断。在进入待机模式的时候一定要将systick关掉，避免systick中断唤醒待机模式。在进入待机模式之前要将在此模式下用不到的引脚配置为模拟输入，在退出待机模式后重新配置引脚。在该任务的一开始是等待以上各种任务完成的事件标志组，在其他任务都完成的情况下，系统会进入待机模式。
底层系统中标签节点与锚节点之间用的协议是IEEE 802.15.4-2011超宽带协议，具体的协议参考相关官方文档。底层与服务器之间通过蓝牙实现无线通信，其通信协议在参考了一些文档的基础上，根据实际应用背景及功能需求制定。底层系统与上位机通过RS232串口进行本地通讯，其通信格式与蓝牙的通信协议一致。MCU与超宽带芯片之间采用SPI协议；与OLED采用的是I2E协议。其中蓝牙通信协议数据包如表2所以，表3为表2的详细解释。
表2
表3
本发明上位机RTLS系统是用微软公司开发的MFC框架，使用C++编程语言。主要完成TDOA定位分析，Anchor节点(锚节点)、Tag节点(标签节点)的状态、定位显示等，其界面如图5所示。RTLS的运行比较复杂，主要有主线程，蓝牙串口数据包的接收线程、TDOA定位算法线程、节点配置线程等构成。当定位系统开始运行时，RTLS接收串口上传的数据，当数据包接收完成并且校验正确后对数据包进行解析，之后调用TDOA定位算法函数进行定位计算，其运行流程图如图6所示，其中的调用算法，本发明在综合各定位算法优缺点的基础上采用了联合定位算法：Fang算法-泰勒级数展开法，算法的具体描述步骤为：
(1)首先对获得的每一组TDOA数据信号直波鉴定；
(2)如果在数据中不存在NLOS情况，跳转到(3)；否则跳转到(4)；
(3)对该组TDOA数据进行Fang算法估计；
(4)首先，对该组TDOA数据进行Fang算法估计，确定初始值；然后，运用泰勒级数展开法对初始值进行迭代；最后，确定目标节点位置估计。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，其特征是：包括定位节点系统和机器人系统，其中：
所述定位节点系统包括一个标签节点和多个锚节点，所述标签节点设置于机器人本体上，跟随机器人本体运动，所述锚节点记录锚节点到标签节点的TOA值，并将该数据回传给标签节点；
所述机器人系统，包括设于机器人本体的上层处理系统和下层控制系统，所述上层处理系统包括处理器，被配置为采用Fang算法和泰勒级数展开法进行联合定位，确定标签节点与各个锚节点的位置，以实现对于机器人的定位，并控制机器人本体进行相应的运动；
所述下层控制系统，包括无线通信模块和控制器，控制器通过无线通信模块与上层处理系统通信，接收上层处理系统下达的控制指令，控制机器人本体执行相应的运动操作。
2.如权利要求1所述的一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，其特征是：所述定位节点系统包括一个标签节点和至少三个锚节点，锚节点在分别固定在坐标确定的某个位置。
3.如权利要求1所述的一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，其特征是：所述下层控制系统包括主控制器，所述主控制器连接有电源模块、蓝牙模块、存储模块和超宽带芯片。
4.如权利要求1所述的一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，其特征是：所述标签节点与锚节点之间用的协议是IEEE超宽带协议，所述主控制器与超宽带芯片之间采用SPI协议。
5.如权利要求1所述的一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，其特征是：所述主控制器与显示屏连接，显示调试信息，且与显示屏采用的是I2E协议。
6.如权利要求1所述的一种面向家庭服务机器人的联合定位系统，其特征是：所述机器人本体上设置有避障机构，或，所述机器人本体上设置有防跌落机构。
7.基于如权利要求1-6中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：在机器人本体上设置标签节点，跟随机器人本体运动，在机器人本体的活动区域内设置多个位于不同位置的锚节点，记录锚节点到标签节点的TOA值，并将该数据回传给标签节点；接收标签节点采集的各个TOA值，采用Fang算法和泰勒级数展开法进行联合定位，确定标签节点与各个锚节点的位置，以实现对于机器人的定位，并控制机器人本体进行相应的运动。
8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：联合定位的具体步骤包括：对获得的每一组TDOA数据信号直波鉴定，如果在数据中不存在NLOS情况，对该组TDOA数据进行Fang算法估计，否则对该组TDOA数据进行Fang算法估计，确定初始值，运用泰勒级数展开法对初始值进行迭代，确定目标节点位置估计。
9.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：上层处理系统被配置有蓝牙串口数据包的接收线程、TDOA定位算法线程和节点配置线程，当定位系统开始运行时，上层处理系统接收上传的数据，当数据包接收完成并且校验正确后对数据包进行解析，之后调用TDOA定位算法函数进行定位计算。
10.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：上电后系统首先进行初始化，检查系统存储历史数据标志位是否置位，如果置位，则直接将存储的数据通过无线的方式发送给上位机，发送完毕以后，开启测距算法；如果存储历史数据标志位没有被置位，直接开启测距算法，在测距成功以后，底层会对数据进行整理打包，然后约定的协议通过无线的方式发给上位机，如果发送成功，则直接进行倒计时准备下一次测距算法的开启；如果不成功，则将数据保存在外部存储器，等待网络恢复后再上传数据。
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