CN108803620A - 一种用于机器人的uwb定位系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于机器人的UWB定位系统，属于室内自主导航技术领域，包括定位模块、勘察模块、数据处理模块、控制模块，定位模块将GPS技术和UWB技术相结合，GPS技术用于对机器人室外位置进行定位，UWB技术用于对室内位置的定位，勘察模块设有多种检测单元，用于检测不同环境数据，与控制模块中的图型绘制单元交换数据后，可用于搜救工作，控制模式分为主动控制模式和被动控制模式，可通过系统CPU数据分析单元对数据分析并自主进行路线的制定，也可通过人为远程遥控下发指令或以程序的方式固定移动路线，本发明通过UWB技术解决室内传输信号的不稳定的问题，UWB技术传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及室内自主导航技术领域，具体是涉及一种用于机器人的UWB定位系统。
背景技术
目前，由于GPS与北斗导航卫星的广泛应用，室外导航定位技术的发展日趋成熟。然而由于卫星信号难以穿透室内建筑物，并且室内的环境非常复杂，存在的多径、非视距干扰导致室内导航定位难以实现或难以真正达到应用需求。
然而室内又是与人类生活工作关系最为密切的场合，室内导航定位服务存在大量的应用需求。例如在消防作战中，消防队员的工作性质高度危险，他们可能会进入一些复杂的高层建筑，人员的自身安全就成为问题，火场环境复杂恶劣，尤其是建筑物内部布局复杂、障碍物多、多径效应严重，定位困难，这时需要一个机器人作为探路者，对火场情况进行探测，并通过识别确认被困人员的位置，再例如如今的物流，多数还是人为搬移，并记录物流信息，但是传统物流耗费人力而且再存储数据记录方面容易出错，再例如在核辐射区域进行工作，人员进去辐射环境，容易引起工作人员身体的病变，这时候就需要机器人对简单的工作进行操作，而且可以扮演引路者的角色，选择辐射量小的路径，引导工作人员通过辐射区域。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供了一种用于机器人的UWB定位系统。
本发明的技术方案是：
一种用于机器人的UWB定位系统，包括定位模块、勘察模块、数据处理模块、控制模块；
所述定位模块包括GPS单元、TDOA-AOA信号发射单元、基站单元、信号接收单元、红外测距单元，所述GPS单元用于对机器人室外位置的定位，所述TDOA-AOA信号发射单元用于发射能量脉冲序列信号，所述基站单元用于接收能量脉冲序列信号，并发出反馈响应信号，所述信号接收单元用于接收基站单元所反馈的响应信号，所述红外测距单元用于对室内物体的定位；
所述勘察模块包括高清摄像单元、激光扫描单元、空气辐射检测单元、热能检测单元、温度检测单元、湿度检测单元，所述高清摄像单元用于对机器人周边环境的图像录制，所述激光扫描单元利用激光穿透性对物体进行扫描，所述空气辐射检测单元用于检测空气中的辐射量，所述温度检测单元用于检测机器人周边环境温度，所述湿度检测单元用于检测机器人周边环境的湿度，所述热能检测单元用于检测生物热源和物理热源，；
所述数据处理模块包括位置信息统计单元、CPU数据分析单元、位置信息确认单元、检测数据统计单元，所述位置信息统计单元用于统计并记录GPS单元的位置信息、信号接收单元的信号传送时间数据、红外测距单元的距离数据，所述检测数据统计单元用于统计高清摄像单元的影像数据、激光扫描单元的物体的图形数据、热能检测单元的热量数据、温度检测单元的空气温度数据、湿度检测单元的空气湿度数据、空气辐射单元的空气辐射量数据，所述CPU数据分析单元用于对位置信息统计单元和检测数据统计单元的数据进行分析，然后得到准确的位置信息和处理后的检测数据，所述位置信息确认单元用于记录CPU数据分析单元的位置信息并进行再次确认；
所述控制模块包括移动单元、摄像转动单元、功能开关单元、图形绘制单元、路线制定单元、机械臂运动单元，所述路线制定单元用于接收位置信息确认单元确认后位置信息以及所述图形绘制单元所绘制的图形信息，并将位置信息和图形信息汇总并规划路线，图形绘制单元根据CPU数据分析单元所分析的检测数据和影像数据进行绘制3D图形，所述移动单元用于接收路线制定单元所规划的路线，并将信号传送给移动单元，所述机械臂运动单元根据CPU数据分析单元的指令对物体进行抓取，所述功能开关单元用于对勘察模块的各个单元进行开关操作。
进一步地，所述控制模块还设有指令收发单元，所述指令收发单元用于对操作人员进行远程遥控或数据矫正，通过指令收发单元实现远程遥控。
进一步地，所述控制模块的控制模式分为主动控制模式和被动控制模式，所述主动控制模式由CPU数据分析单元对数据进行整合并发送控制指令，所述被动控制模式为通过指令收发单元将指令发送给处CPU数据分析单元，再由CPU数据分析单元发送指令进行控制，主动控制模式适用于熟悉或简单的环境，被动控制模式适用于复杂环境。
进一步地，所述热能检测单元采用红外线原理对机器人周围环境中发热物体进行检测，由CPU数据分析单元识别发热源为生物或物体，并进行避让，通过热源的判断可以对发热体进行避让。
进一步地，所述图形绘制单元通过热能检测单元所检测的热量数据绘制热量分布图，快速检测识别生物热源，并在图形标记出来适用于救援工作。
进一步地，所述激光扫描单元采用激光的穿透性对物体进扫描，扫描数据传送给图形绘制单元，由图形绘制单元对数据进行处理，并对物体进行结构绘制，适用于对环境的侦测。
进一步地，所述控制模块设有程序存储单元，所述程序存储单元用于指令收发单元将多个指令以程序的形式进行存储，由CPU数据分析单元进行调取，适用于物流仓储中移动路线的固定化。
进一步地，所述TDOA-AOA信号发射单元的信号覆盖范围内最少有两个基站单元进行响应，通过两个基站单元的响应，减少信号传输中的误差。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，通过检测脉冲信号在TDOA-AOA信号发射单元与基站单元之间传输的时间节点来计算TDOA-AOA信号发射单元与两个基站之间的距离，TDOA-AOA信号发射单元采用正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内，传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等，本发明勘察模块设有多个检测单元，用于对周围环境的检测，和图像数据采集，多种检测单元适应多种环境下的任务，适用于地震火灾救援、辐射较强的工作环境和物流仓储，也可进行危险环境的勘察，多种控制模式能够适应较为复杂的环境。
本发明的工作方法：
S1：本发明采用超宽带无线通信技术(UWB)无载波通信技术，使用短的能量脉冲序列进行信号交换，由GPS单元进行室外定位，通过TDOA-AOA信号发射单元和基站单元之间信号传动时间进行距离的计算，从而推算TDOA-AOA信号发射单元所在的位置，红外测距单元用于机器人与室内物体之间的测距，用于定位室内物体与机器人之间的相对位置信息；
S2：勘察模块中设有多种检测单元，高清摄像单元用于构图和生物识别，激光扫描单元用于对物体结构扫描，空气辐射检测单元用于检测空气中辐射量的分布，热能检测单元用于搜救中的生物热源识别，湿度检测单元、温度检测单元检测机器人所在位置的湿度和温度情况；
S3：位置信息统计单元统计两个基站单元与TDOA-AOA信号发射单元之间传输时间数据，并计算计算机器人位置，检测数据统计单元用于统计勘察模块中的检测数据，CPU数据分析单元对位置数据和检测数据进行分析，剔除异常数据，减少数据误差，并发出指令；
S4：控制模块通过指令收发单元对CPU数据分析单元进行指令传输，进行复杂环境远程遥控，所述程序存储单元通过指令收发模块制定程序，再由程序存储单元对CPU数据分析单元以程序的方式下发指令，此种控制方式适用于物流仓储中路线的固定化，以上控制方式均为被动控制模式，由CPU数据分析单元对数据分析后主动对移动单元或机械臂运动单元发送指令实现主动控制模式。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明室内定位的原理图。
其中，1-定位模块、2-勘察模块、3-数据处理模块、4-控制模块、11-GPS单元、12-TDOA-AOA信号发射单元、13-基站单元、14-信号接收单元、15-红外测距单元、21-高清摄像单元、22-激光扫描单元、23-空气辐射检测单元、24-热能检测单元、25-温度检测单元、26-湿度检测单元、31-信息统计单元、32-CPU数据分析单元、33-位置信息确认单元、34-检测数据统计单元、41-移动单元、42-摄像转动单元、43-功能开关单元、44-图形绘制单元、45-路线制定单元、46-机械臂运动单元、47-指令收发单元、48-程序存储单元。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合图1-2做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，一种用于机器人的UWB定位系统，包括定位模块1、勘察模块2、数据处理模块3、控制模块4；
定位模块1包括GPS单元11、TDOA-AOA信号发射单元12、基站单元13、信号接收单元14、红外测距单元15，GPS单元11用于对机器人室外位置的定位，TDOA-AOA信号发射单元12用于发射能量脉冲序列信号，基站单元13用于接收能量脉冲序列信号，并发出反馈响应信号，信号接收单元14用于接收基站单元13所反馈的响应信号，如图2所示，TDOA-AOA信号发射单元12的信号覆盖范围内最少有两个基站单元13进行响应，通过两个基站单元13的响应，减少信号传输中的误差，外测距单元15用于对室内物体的定位；
勘察模块2包括高清摄像单元21、激光扫描单元22、空气辐射检测单元23、热能检测单元24、温度检测单元25、湿度检测单元26，高清摄像单元21用于对机器人周边环境的图像录制，激光扫描单元22利用激光穿透性对物体进行扫描，激光扫描单元22采用激光的穿透性对物体进扫描，扫描数据传送给图形绘制单元44，由图形绘制单元44对数据进行处理，并对物体进行结构绘制，适用于对环境的侦测，空气辐射检测单元23用于检测空气中的辐射量，温度检测单元25用于检测机器人周边环境温度，湿度检测单元26用于检测机器人周边环境的湿度，热能检测单元24用于检测生物热源和物理热源；
数据处理模块3包括位置信息统计单元31、CPU数据分析单元32、位置信息确认单元33、检测数据统计单元34，位置信息统计单元31用于统计并记录GPS单元11的位置信息、信号接收单元14的信号传送时间数据、红外测距单元15的距离数据，检测数据统计单元34用于统计高清摄像单元21的影像数据、激光扫描单元22的物体的图形数据、热能检测单元24的热量数据、温度检测单元25的空气温度数据、湿度检测单元26的空气湿度数据、空气辐射单元23的空气辐射量数据，CPU数据分析单元32用于对位置信息统计单元31和检测数据统计单元34的数据进行分析，然后得到准确的位置信息和处理后的检测数据，位置信息确认单元33用于记录CPU数据分析单元32的位置信息并进行再次确认，热能检测单元24采用红外线原理对机器人周围环境中发热物体进行检测，由CPU数据分析单元32识别发热源为生物或物体，并进行避让，通过热源的判断可以对发热体进行避让；
控制模块4包括移动单元41、摄像转动单元42、功能开关单元43、图形绘制单元44、路线制定单元45、机械臂运动单元46，路线制定单元45用于接收位置信息确认单元33确认后位置信息以及图形绘制单元44所绘制的图形信息，并将位置信息和图形信息汇总并规划路线，图形绘制单元44根据CPU数据分析单元32所分析的检测数据和影像数据进行绘制3D图形，图形绘制单元44通过热能检测单元24所检测的热量数据绘制热量分布图，快速检测识别生物热源，并在图形标记出来适用于救援工作，移动单元41用于接收路线制定单元45所规划的路线，并将信号传送给移动单元41，机械臂运动单元46根据CPU数据分析单元32的指令对物体进行抓取，功能开关单元43用于对勘察模块2的各个单元进行开关操作，控制模块4还设有指令收发单元47，指令收发单元47用于对操作人员进行远程遥控或数据矫正，通过指令收发单元47实现远程遥控，控制模块4的控制模式分为主动控制模式和被动控制模式，主动控制模式由CPU数据分析单元32对数据进行整合并发送控制指令，被动控制模式为通过指令收发单元47将指令发送给处CPU数据分析单元32，再由CPU数据分析单元32发送指令进行控制，主动控制模式适用于熟悉或简单的环境，被动控制模式适用于复杂环境，控制模块4设有程序存储单元48，程序存储单元48用于指令收发单元47将多个指令以程序的形式进行存储，由CPU数据分析单元32进行调取，适用于物流仓储中移动路线的固定化。
本实施例的工作方法：
S1：本发明采用超宽带无线通信技术(UWB)无载波通信技术，使用短的能量脉冲序列进行信号交换，由GPS单元11进行室外定位，通过TDOA-AOA信号发射单元12和基站单元13之间信号传动时间进行距离的计算，从而推算信号发射单元12所在的位置，红外测距单元15用于机器人与室内物体之间的测距，用于定位室内物体与机器人之间的相对位置信息；
S2：勘察模块2中设有多种检测单元，高清摄像单元21用于构图和生物识别，激光扫描单元22用于对物体结构扫描，空气辐射检测单元23用于检测空气中辐射量的分布，热能检测单元24用于搜救中的生物热源识别，湿度检测单元25、温度检测单元26检测机器人所在位置的湿度和温度情况；
S3：位置信息统计单元统计两个基站单元13与TDOA-AOA信号发射单元12之间传输时间数据，并计算计算机器人位置，检测数据统计单元34用于统计勘察模块2中的检测数据，CPU数据分析单元32对位置数据和检测数据进行分析，剔除异常数据，减少数据误差，并发出指令；
S4：控制模块4通过指令收发单元47对CPU数据分析单元32进行指令传输，进行复杂环境远程遥控，所述程序存储单元48通过指令收发模块制定程序，再由程序存储单元48对CPU数据分析单元32以程序的方式下发指令，此种控制方式适用于物流仓储中路线的固定化，以上控制方式均为被动控制模式，由CPU数据分析单元32对数据分析后主动对移动单元41或机械臂运动单元46发送指令实现主动控制模式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，包括定位模块(1)、勘察模块(2)、数据处理模块(3)、控制模块(4)；
所述定位模块(1)包括GPS单元(11)、TDOA-AOA信号发射单元(12)、基站单元(13)、信号接收单元(14)、红外测距单元(15)，所述GPS单元(11)用于对机器人室外位置的定位，所述TDOA-AOA信号发射单元(12)用于发射能量脉冲序列信号，所述基站单元(13)用于接收能量脉冲序列信号，并发出反馈响应信号，所述信号接收单元(14)用于接收基站单元(13)所反馈的响应信号，所述红外测距单元(15)用于对室内物体的定位；
所述勘察模块(2)包括高清摄像单元(21)、激光扫描单元(22)、空气辐射检测单元(23)、热能检测单元(24)、温度检测单元(25)、湿度检测单元(26)，所述高清摄像单元(21)用于对机器人周边环境的图像录制，所述激光扫描单元(22)利用激光穿透性对物体进行扫描，所述空气辐射检测单元(23)用于检测空气中的辐射量，所述温度检测单元(25)用于检测机器人周边环境温度，所述湿度检测单元(26)用于检测机器人周边环境的湿度，所述热能检测单元(24)用于检测生物热源和物理热源；
所述数据处理模块(3)包括位置信息统计单元(31)、CPU数据分析单元(32)、位置信息确认单元(33)、检测数据统计单元(34)，所述位置信息统计单元(31)用于统计并记录GPS单元(11)的位置信息、信号接收单元(14)的信号传送时间数据、红外测距单元(15)的距离数据，所述检测数据统计单元(34)用于统计高清摄像单元(21)的影像数据、激光扫描单元(22)的物体的图形数据、热能检测单元(24)的热量数据、温度检测单元(25)的空气温度数据、湿度检测单元(26)的空气湿度数据、空气辐射单元(23)的空气辐射量数据，所述CPU数据分析单元(32)用于对位置信息统计单元(31)和检测数据统计单元(34)的数据进行分析，然后得到准确的位置信息和处理后的检测数据，所述位置信息确认单元(33)用于记录CPU数据分析单元(32)的位置信息并进行再次确认；
所述控制模块(4)包括移动单元(41)、摄像转动单元(42)、功能开关单元(43)、图形绘制单元(44)、路线制定单元(45)、机械臂运动单元(46)，所述路线制定单元(45)用于接收位置信息确认单元(33)确认后位置信息以及所述图形绘制单元(44)所绘制的图形信息，并将位置信息和图形信息汇总并规划路线，图形绘制单元(44)根据CPU数据分析单元(32)所分析的检测数据和影像数据进行绘制3D图形，所述移动单元(41)用于接收路线制定单元(45)所规划的路线，并将信号传送给移动单元(41)，所述机械臂运动单元(46)根据CPU数据分析单元(32)的指令对物体进行抓取，所述功能开关单元(43)用于对勘察模块(2)的各个单元进行开关操作。
2.如权利要求1所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述控制模块(4)还设有指令收发单元(47)，所述指令收发单元(47)用于对操作人员进行远程遥控或数据矫正。
3.如权利要求1或2所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述控制模块(4)的控制模式分为主动控制模式和被动控制模式，所述主动控制模式由CPU数据分析单元(32)对数据进行整合并发送控制指令，所述被动控制模式为通过指令收发单元(47)将指令发送给处CPU数据分析单元(32)，再由CPU数据分析单元(32)发送指令进行控制。
4.如权利要求1所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述热能检测单元(24)采用红外线原理对机器人周围环境中发热物体进行检测，由CPU数据分析单元(32)识别发热源为生物或物体，并进行避让。
5.如权利要求1所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述图形绘制单元(44)通过热能检测单元(24)所检测的热量数据绘制热量分布图。
6.如权利要求1所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述激光扫描单元(22)采用激光的穿透性对物体进扫描，扫描数据传送给图形绘制单元(44)，由图形绘制单元(44)对数据进行处理，并对物体进行结构绘制。
7.如权利要求1或2所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述控制模块(4)设有程序存储单元(48)，所述程序存储单元(48)用于指令收发单元(47)将多个指令以程序的形式进行存储，由CPU数据分析单元(32)进行调取。
8.如权利要求1所述的一种用于机器人的UWB定位系统，其特征在于，所述控制模块(4)内置程序存储单元(48)，所述程序存储单元(48)用于将多个指令以程序的形式进行存储，并由CPU数据分析单元(32)进行调取。。
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