CN110026993B - 一种基于uwb及热释电红外传感器的人体跟随机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，包括：粗定位模块、精定位模块、主控模块和电机及驱动模块；粗定位模块用于对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位；精定位模块用于对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位；主控模块用于根据接收到的所述距离和方位角生成运控指令；电机及驱动模块用于根据接收到的所述运控指令驱动机器人进行运动，以达到跟随目标人体的目的。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案采用UWB及热释电红外传感器融合的方式，对目标人体和机器人之间进行相对定位，硬件结构简单，实现的人体跟随效果误差小，精度高，两种传感器相互校验，稳定性和可靠性均有提高。

Description

一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人。
背景技术
由于智能的人体跟随机器人控制系统具有非线性、不确定性、多任务性、多因素性、多层次性等因素，属于复杂系统。所以仅仅借助于数学模型的描述和分析的传统控制理论很难解决其中的控制问题。目前基于距离的智能跟随机器人对目标位置的判定方式有GPS、红外线测定方位、超声波定位等方法，也有利用蓝牙、WIFI、RFID和UWB的多基站(三个或三个以上)定位方法。对于GPS跟踪方式，因为室内环境比较复杂，GPS的定位精度严重不准，所以不适合室内的智能机器人的跟随。而利用蓝牙、WIFI和RFID的定位方法，都是基于RSS算法，即通过测量节点间的信号强度来估计目标节点之间的距离，但是信号的衰减模型跟环境因素有很大的关系，因此这一类定位方法精度通常不高。现有的利用UWB技术的人体跟踪机器人都使用了三个或三个以上的UWB基站，这样的定位方式精度足够，但是成本很高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人。
一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，包括：粗定位模块、精定位模块、主控模块和电机及驱动模块；
所述粗定位模块用于对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位，得到粗定位结果，并将所述粗定位结果发送至精定位模块；
所述精定位模块用于在所述粗定位结果的基础上，对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位，得到精确定位的距离和方位角，并将所述距离和方位角发送至主控模块；
所述主控模块用于根据接收到的所述距离和方位角生成运控指令，并将所述运控指令发送至电机及驱动模块；
所述电机及驱动模块用于根据接收到的所述运控指令驱动机器人进行运动，以达到跟随目标人体的目的；
所述粗定位模块包括热释电红外传感器；且所述热释电红外传感器有四个，分别安装于机器人本体的外表面的一个平面上；
所述精定位模块包括UWB基站和位于目标人体上的UWB标签；所述UWB基站有两个，分别安装于机器人本体外表面安装有热释电红外传感器的一面的左端点和右端点处，且两个UWB基站的安装位置处于同一平面，即两个UWB基站间的距离为机器人本体的最大宽度。
进一步地，安装所述热释电红外传感器的平面为方形。
进一步地，所述粗定位模块对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位的方法为：
以机器人本体外表面的安装有热释电红外传感器的一面的形心为原点，以机器人本体的的正前方为Y轴正方向，以机器人本体的右方为X轴的正方向，构建XYZ坐标系，X轴和Y轴将机器人所在平面分为①、②、③和④四个象限；四个热释电红外传感器的安装位置处于同一平面上，以最大程度的将机器人本体的外表面分为与①、②、③和④四个象限相对应的部分，进而利用四个热释电红外传感器对目标人体的方位进行检测，得到目标人体所属的具体象限，即粗定位结果。
进一步地，所述精定位模块在所述粗定位结果的基础上，对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位，得到精确定位的距离和方位角的方法如下：
定义两个UWB基站的间距为a；利用TOA算法分别计算出UWB标签到两个UWB基站的距离d1和d2，进而计算出目标人体所在点M(x，y)的坐标：
Figure GDA0002615269320000021
由上式可知，目标人体所在点M(x，y)的坐标有两个，分别为：
Figure GDA0002615269320000022
和
Figure GDA0002615269320000023
进而根据所述粗定位结果，即目标人体所属的具体象限，从两个坐标中选择出正确的目标人所在点M(x，y)的坐标；
然后，由上述步骤得到的目标人所在点M(x，y)的坐标信息，进一步可以得到目标人体与机器人的方位角
Figure GDA0002615269320000031
目标人体与机器人的距离
Figure GDA0002615269320000032
进一步地，还可利用TDOA算法分别计算出UWB标签到两个UWB基站的距离d1和d2。
进一步地，所述两个UWB基站和UWB标签之间传输数据时，时间同步。
进一步地，所述基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人还包括电源模块，用于为机器人供电。
进一步地，所述基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人还包括无线通信模块，用于对机器人进行调试和维修时，与终端设备进行无线数据传输。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案采用UWB及热释电红外传感器融合的方式，对目标人体和机器人之间进行相对定位，硬件结构简单，实现的人体跟随效果误差小，精度高；仅需两个UWB基站，相较于传统的三UWB基站的跟随机器人，成本更低；先利用热释电红外传感器确定大致方位，进行粗定位，再利用UWB进行精确定位，两种传感器相互校验，稳定性和可靠性均有提高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人的控制框图；
如图2所示为本发明实施例中所述一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人的外形结构图；
图3是本发明实施例中精定位的原理示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人的控制框图，包括：粗定位模块1、精定位模块2、主控模块3和电机及驱动模块4；
所述粗定位模块1用于对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位，得到粗定位结果，并将所述粗定位结果发送至精定位模块2；
所述精定位模块2用于在所述粗定位结果的基础上，对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位，得到精确定位的距离和方位角，并将所述距离和方位角发送至主控模块3；
所述主控模块3用于根据接收到的所述距离和方位角生成运控指令，并将所述运控指令发送至电机及驱动模块4；
所述电机及驱动模块4用于根据接收到的所述运控指令驱动机器人进行运动，以达到跟随目标人体的目的。
如图2所示为本发明实施例中所述一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人的外形结构图；所述粗定位模块1包括热释电红外传感器11；且所述热释电红外传感器有四个，分别安装于机器人本体的外表面的一个平面上；
所述精定位模块2包括UWB基站21和位于目标人体上的UWB标签22；所述UWB基站有两个，分别安装于机器人本体外表面安装有热释电红外传感器11的一面的左端点和右端点处，且两个UWB基站21的安装位置处于同一平面，即两个UWB基站21间的距离为机器人本体的最大宽度；安装所述热释电红外传感器的平面为方形。
所述粗定位模块1对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位的方法为：
以机器人本体外表面的安装有热释电红外传感器的一面的形心为原点，以机器人本体的的正前方为Y轴正方向，以机器人本体的右方为X轴的正方向，构建XYZ坐标系，X轴和Y轴将机器人所在平面分为①、②、③和④四个象限；四个热释电红外传感器的安装位置处于同一平面上，以最大程度的将机器人本体的外表面分为与①、②、③和④四个象限相对应的部分，进而利用四个热释电红外传感器对目标人体的方位进行检测，得到目标人体所属的具体象限，即粗定位结果。
所述精定位模块在所述粗定位结果的基础上，对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位，得到精确定位的距离和方位角的方法如下：
如图3所示，定义两个UWB基站的间距为a；利用TOA或者TDOA算法分别计算出UWB标签到两个UWB基站的距离d1和d2，进而计算出目标人体所在点M(x，y)的坐标：
Figure GDA0002615269320000051
由上式可知，目标人体所在点M(x，y)的坐标有两个，分别为：
Figure GDA0002615269320000052
和
Figure GDA0002615269320000053
进而根据所述粗定位结果，即目标人体所属的具体象限，从两个坐标中选择出正确目标人所在点M(x，y)的坐标；
然后，由目标人所在点M(x，y)的坐标信息，进一步可以得到目标人体与机器人的方位角
Figure GDA0002615269320000054
目标人体与机器人的距离
Figure GDA0002615269320000055
所述两个UWB基站21和UWB标签22之间传输数据时，时间同步。
所述基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人还包括电源模块5，用于为机器人供电。
所述基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人还包括无线通信模块6，用于对机器人进行调试和维修时，与终端设备进行无线数据传输。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案采用UWB及热释电红外传感器融合的方式，对目标人体和机器人之间进行相对定位，硬件结构简单，实现的人体跟随效果误差小，精度高；仅需两个UWB基站，相较于传统的三UWB基站的跟随机器人，成本更低；先利用热释电红外传感器确定大致方位，进行粗定位，再利用UWB进行精确定位，两种传感器相互校验，稳定性和可靠性均有提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：包括：粗定位模块、精定位模块、主控模块和电机及驱动模块；
所述粗定位模块用于对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位，得到粗定位结果，并将所述粗定位结果发送至精定位模块；
所述精定位模块用于在所述粗定位结果的基础上，对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位，得到精确定位的距离和方位角，并将所述距离和方位角发送至主控模块；
所述主控模块用于根据接收到的所述距离和方位角生成运控指令，并将所述运控指令发送至电机及驱动模块；
所述电机及驱动模块用于根据接收到的所述运控指令驱动机器人进行运动，以达到跟随目标人体的目的；
所述粗定位模块包括热释电红外传感器；且所述热释电红外传感器有四个，分别安装于机器人本体的外表面的一个平面上；
所述精定位模块包括UWB基站和位于目标人体上的UWB标签；所述UWB基站有两个，分别安装于机器人本体外表面安装有热释电红外传感器的一面的左端点和右端点处，且两个UWB基站的安装位置处于同一平面，即两个UWB基站间的距离为机器人本体的最大宽度；
所述粗定位模块对目标人体相对于机器人的大致方位进行粗略定位的方法为：
以机器人本体外表面的安装有热释电红外传感器的一面的形心为原点，以机器人本体的正前方为Y轴正方向，以机器人本体的右方为X轴的正方向，构建XYZ坐标系，X轴和Y轴将机器人所在平面分为①、②、③和④四个象限；四个热释电红外传感器的安装位置处于同一平面上，以最大程度的将机器人本体的外表面分为与①、②、③和④四个象限相对应的部分，进而利用四个热释电红外传感器对目标人体的方位进行检测，得到目标人体所属的具体象限，即粗定位结果。
2.如权利要求1所述的一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：安装所述热释电红外传感器的平面为方形。
3.如权利要求1所述的一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：所述精定位模块在所述粗定位结果的基础上，对目标人体于机器人之间的相对位置进行精确定位，得到精确定位的距离和方位角的方法如下：
定义两个UWB基站的间距为a；利用TOA算法分别计算出UWB标签到两个UWB基站的距离d1和d2，进而计算出目标人体所在点M(x，y)的坐标：
Figure FDA0002615269310000021
Figure FDA0002615269310000022
由上式可知，目标人体所在点M(x，y)的坐标有两个，分别为：
Figure FDA0002615269310000023
和
Figure FDA0002615269310000024
进而根据所述粗定位结果，即目标人体所属的具体象限，从两个坐标中选择出正确的目标人所在点M(x，y)的坐标；
然后，由上述步骤得到的目标人所在点M(x，y)的坐标信息，进一步可以得到目标人体与机器人的方位角
Figure FDA0002615269310000025
目标人体与机器人的距离
Figure FDA0002615269310000026
4.如权利要求3所述的一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：还可利用TDOA算法分别计算出UWB标签到两个UWB基站的距离d1和d2。
5.如权利要求1所述的一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：所述两个UWB基站和UWB标签之间传输数据时，时间同步。
6.如权利要求1所述的一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：所述基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人还包括电源模块，用于为机器人供电。
7.如权利要求1所述的一种基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人，其特征在于：所述基于UWB及热释电红外传感器的人体跟随机器人还包括无线通信模块，用于对机器人进行调试和维修时，与终端设备进行无线数据传输。
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