CN107861513A - 基于uwb技术的智能机器人自主导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，包括智能机器人、设于智能机器人上的UWB定位标签、多个覆盖预设区域的UWB基站，其中，UWB定位标签与机器人电连接，UWB定位标签包括用于发射脉冲无线电的第一信号发送模块以及用于接收UWB基站发送的反馈信号的第一信号接收模块，UWB基站包括用于接收脉冲无线电的第二信号接收模块、用于根据脉冲无线电分析计算UWB标签到UWB基站的距离的MCU控制器、用于发送反馈信号的第二信号发送模块以及用于与外部通讯连接的无线通讯模块，可保证智能机器人在预设区域中移动时会根据UWB定位基站计算自己的当前位置，从而不断校正，实时的调整位置以完成整个全自主导航过程，可保持高精度定位导航，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于定位导航技术领域，具体涉及到一种基于UWB技术的智能机器人自主导航系统。
背景技术
目前智能移动机器人全自主无线定位导航技术基本属于行业空白，但是各行业对全自主无线定位导航技术的需求又非常大。现在的人工智能正发展的如火如荼，智能移动机器人的全自主高精度定位系统就首当其冲的被推上了这个风口，有了全自主高精度定位系统，才得以在此基础上开发应用于智能移动机器人导航行走产品，目前智能移动机器人全自主精准定位导航的技术手段都各有利弊，其基本采用场强信号和信号质量技术来定位的RFID、WiFi、Zigbee、GPS等传统单一定位技术。全球定位系统GPS是目前应用最成功的定位技术，但是对于室内近距离定位，其精度远远达不到要求；基于ZigBee的定位技术主要是采用接收信号强度指示来实现，由于单纯的使用RSSI的ZigBee定位系统精度有限，定位精度不高，一般在3～5m；基于RFID的定位技术是通过射频识别标签(Tags)或者无线收发器来存储和非接触地发送数据来进行自动身份辨认的技术，在定位算法中存在不容易确定的参数；WiFi定位技术只能覆盖半径90m以内的地理区域，且很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的定位精度不高、可靠性较低的不足，提供了一种基于UWB技术的智能机器人自主导航系统。
本发明是这样实现的：基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，包括智能机器人、设于智能机器人上的UWB定位标签、多个覆盖预设区域的UWB基站，其中，所述UWB定位标签与所述机器人电连接，所述UWB定位标签包括用于发射脉冲无线电的第一信号发送模块以及用于接收所述UWB基站发送的反馈信号的第一信号接收模块，所述UWB基站包括用于接收所述脉冲无线电的第二信号接收模块、用于根据所述脉冲无线电分析计算所述UWB标签到所述UWB基站的距离的MCU控制器、用于发送反馈信号的第二信号发送模块以及用于与外部通讯连接的无线通讯模块。
作为本发明的一个优选方案，还包括手持式定位标签以及与所述手持式定位标签连接的地图采集器，所述手持式定位标签用于扫描采集所述预设区域的地图信息，所述地图采集器储存所述手持式定位标签扫描采集的地图信息并生成所述预设区域的地图数据，所述地图采集器与所述智能机器人通讯连接以用于将所述预设区域的地图数据传输给智能机器人。
作为本发明的一个优选方案，所述地图采集器与所述智能机器人通过zigbee模块无线通讯连接。
作为本发明的一个优选方案，所述智能机器人与所述UWB定位标签串口连接。
作为本发明的一个优选方案，所述智能机器人包括传感器检测模块、运动控制模块、电源模块以及电机驱动模块。
作为本发明的一个优选方案，所述传感器检测模块包括测距传感器、防踏空传感器、防碰撞传感器、防跌落传感器以及9轴传感器。
作为本发明的一个优选方案，所述UWB基站的数量至少为3个。
作为本发明的一个优选方案，任意三个UWB基站之间构成的三角形的最小夹角大于等于15°。
本发明提供的一种基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，相对于现有技术，其利用UWB定位导航技术，即将UWB定位标签设于智能机器人上，且在预设区域设有UWB基站，智能机器人上加载有预设区域的地图数据，进而可保证智能机器人在预设区域中移动时会根据UWB定位基站计算自己的当前位置，从而不断校正，实时的调整位置以完成整个全自主导航过程，可保持高精度定位导航，可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1是本发明实施例提供的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统的模块示意图；
图2是本发明实施例提供的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统的模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
请参阅图1、图2，基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，包括智能机器人(包括控制器)、设于智能机器人上的UWB定位标签1、多个覆盖预设区域的UWB基站2，其中，UWB定位标签1与智能机器人电连接，例如UWB定位标签1可与智能机器人串口连接(即UWB定位标签1可与智能机器人上的控制器电连接)，UWB定位标签1包括用于发射脉冲无线电的第一信号发送模块11以及用于接收UWB基站2发送的反馈信号的第一信号接收模块12，UWB基站2包括用于接收脉冲无线电的第二信号接收模块21、用于根据脉冲无线电分析计算UWB定位标签1到UWB基站2的距离的MCU控制器22、用于发送反馈信号的第二信号发送模块23以及用于与外部通讯连接的无线通讯模块24，其中，MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
上述中，具体的，该基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其利用UWB定位导航技术，具体的，具体的，UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，可利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB技术能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，具有抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小，可大大延长系统电源工作时间等优点。
具体的，多个UWB基站2均覆盖预设区域，智能机器人上加载有该预设区域的地图数据，当智能机器人在预设区域中移动至某位置时，智能机器人上的控制器将会自动生成运动路径(具体的路径计算可采用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法)，并且智能机器人在移动过程中，UWB定位标签1上的第一信号发送模块11将会发送脉冲无线电(携带有发送时间等信息)，进而多个UWB基站2中的第二信号接收模块21均接收到该脉冲无线电，进而每个UWB基站2中的MCU控制器22根据脉冲无线电的发送时间以及每个UWB基站接收该脉冲无线电的接收时间，确定时间差，进而分析计算出UWB定位标签1到每个UWB基站的距离，并且每个UWB基站2上的第二信号发送模块发送反馈信号，UWB定位标签1中的第一信号接收模块可接收该反馈信号，进而传输至智能机器人上的控制器，智能机器人上的控制器通过分析计算UWB定位标签1到每个UWB基站2中的距离，可精确的得到UWB定位标签1的实时精确位置，即可精确的得到智能机器人的实时精确位置，并与运动路径进行比较，以进行运动调整等，即智能机器人在行走过程中会时刻计算自己的当前位置，从而不断校正，实时的调整位置以完成整个全自主导航过程，进而可实现智能机器人在预设区域中移动时的高精度精确定位导航，安全可靠。
上述中，作为本发明的一个优选方案，还包括手持式定位标签以及与手持式定位标签连接的地图采集器，手持式定位标签用于扫描采集预设区域的地图信息，地图采集器储存手持式定位标签扫描采集的地图信息并生成预设区域的地图，地图采集器与智能机器人通讯连接以用于将预设区域的地图传输给智能机器人，当然，可以理解的是，智能机器人也可通过其它方式加载该预设区域的地图数据。
上述中，具体的，地图采集器与智能机器人可通过zigbee模块无线通讯连接，即地图采集器与智能机器人通过zigbee技术实现无线通讯，zigbee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，其主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，可工作在868MHz、915MHz和2.4GHz的3个频段上。
上述中，可以理解的是，智能机器人包括传感器检测模块、运动控制模块、电源模块(为各模块供电)、电机驱动模块以及控制器等，其中控制器与上述中的各模块均电连接，以用于控制以及协调各模块的工作等。
其中，传感器检测模块用于检测智能机器人在运动中的各项数据，并反馈给控制器，控制器可通过控制运动控制模块、电机驱动模块来控制智能机器人的运动，以保证智能机器人在运动过程中的安全，传感器检测模块包括测距传感器(例如超声测距传感器、红外测距传感器等)、防踏空传感器、防碰撞传感器、防跌落传感器以及9轴传感器等。
可以理解的是，上述中的智能机器人中的各模块均为市面上的智能机器人所常见的组成部分，本实施例中的智能机器人可参考市面上的智能机器人的组成部分，在此不做赘述。
作为本发明的一个优选方案，UWB基站2的数量至少为3个，并且任意三个UWB基站2之间构成的三角形的最小夹角大于等于15°，进而避免由UWB基站2确定到定位标签1的距离进而确定定位标签1的位置时，会产生互相干扰进而导致定位精度降低的情况。
综上所述，本发明提供的一种基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，相对于现有技术，其利用UWB定位导航技术，即将UWB定位标签设于智能机器人上，且在预设区域设有UWB基站，智能机器人上加载有预设区域的地图数据，进而可保证智能机器人在预设区域中移动时会根据UWB定位基站计算自己的当前位置，从而不断校正，实时的调整位置以完成整个全自主导航过程，可保持高精度定位导航，可靠性高。
有以下几点需要说明：
(1)除非另作定义，本发明的实施例及附图中，同一标号代表同一含义。
(2)本发明实施例附图中，只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(3)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
(4)在不冲突的情况下，本发明的同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，包括智能机器人、设于智能机器人上的UWB定位标签、多个覆盖预设区域的UWB基站，其中，所述UWB定位标签与所述机器人电连接，所述UWB定位标签包括用于发射脉冲无线电的第一信号发送模块以及用于接收所述UWB基站发送的反馈信号的第一信号接收模块，所述UWB基站包括用于接收所述脉冲无线电的第二信号接收模块、用于根据所述脉冲无线电分析计算所述UWB标签到所述UWB基站的距离的MCU控制器、用于发送反馈信号的第二信号发送模块以及用于与外部通讯连接的无线通讯模块。
2.如权利要求1所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，还包括手持式定位标签以及与所述手持式定位标签连接的地图采集器，所述手持式定位标签用于扫描采集所述预设区域的地图信息，所述地图采集器储存所述手持式定位标签扫描采集的地图信息并生成所述预设区域的地图数据，所述地图采集器与所述智能机器人通讯连接以用于将所述预设区域的地图数据传输给智能机器人。
3.如权利要求2所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，所述地图采集器与所述智能机器人通过zigbee模块无线通讯连接。
4.如权利要求2所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，所述智能机器人与所述UWB定位标签串口连接。
5.如权利要求1所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，所述智能机器人包括传感器检测模块、运动控制模块、电源模块以及电机驱动模块。
6.如权利要求5所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，所述传感器检测模块包括测距传感器、防踏空传感器、防碰撞传感器、防跌落传感器以及9轴传感器。
7.如权利要求1所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，所述UWB基站的数量至少为3个。
8.如权利要求7所述的基于UWB技术的智能机器人自主导航系统，其特征在于，任意三个UWB基站之间构成的三角形的最小夹角大于等于15°。
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