CN110456795B - 一种基于uwb的智能小车定位控制系统和方法 - Google Patents

一种基于uwb的智能小车定位控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及智能控制技术领域，公开了一种基于UWB的智能小车定位控制系统和方法，该系统包括UWB定位标签、UWB定位基站、天线、智能分析模块以及机械控制模块。本申请利用UWB模块就可以实现智能小车的视觉定位和监控控制一体化，极大的扩展了UWB模块的功能，与传统的现有技术相比，免去了依靠各类传感器和摄像头的协同工作达到视觉定位的繁琐步骤，因此系统集成度高，结构简单。

Description

一种基于UWB的智能小车定位控制系统和方法
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种基于UWB的智能小车定位控制系统和方法。
背景技术
UWB是一种无载波通信技术，主要由UWB定位标签、UWB定位基站、软件控制系统三部分组成。其基本工作原理为：UWB定位标签先发射超宽带信号，然后UWB定位基站接收超宽带信号，并将接收到的信号通过网线或者WIFI 传输到软件控制系统，最后由软件控制系统进行分析和定位。其中，UWB定位标签传输给UWB定位基站的信息主要包括信号到达的时间差、定位物体的方向角和仰角。目前，UWB技术主要的应用方向是室内定位，将定位信息在软件控制系统中呈现给工作人员用于监督管理。
目前，在工业智能小车领域中，一些智能小车的控制系统首先需要依靠智能小车的视觉系统对周围环境做出感知，然后根据感知结果做出相应的控制，而这些视觉系统大部分依靠各类传感器和摄像头的协同工作，系统复杂度与成本都比较高，并且还无法将这些智能小车的环境信息转化为进行实时监管的信息。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明对智能小车传统的监控和控制系统进行了改进，仅仅利用UWB模块就可以实现智能小车的视觉定位和监控控制一体化，极大的扩展了UWB模块的功能，系统集成度高、结构简单。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种基于UWB的智能小车定位控制系统，包括UWB定位标签、UWB定位基站、天线、智能分析模块以及机械控制模块；
所述UWB定位标签设于智能小车上，用于发送设定频率的脉冲信号，UWB定位标签上还设置有小车识别编号，用于将所述小车识别编号与各智能小车进行匹配，以根据UWB定位标签上的小车识别编号判断该UWB定位标签代表的智能小车；
所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线设置，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号，用于接收和识别UWB定位标签发送的脉冲信号，判断所述脉冲信号是否处于其信号接收范围内，根据所述脉冲信号向智能分析模块发射反馈信号并同时发送对应的基站识别编号；
所述天线设置在智能小车上，用于智能分析模块与智能小车之间的信号传递；
所述智能分析模块与UWB定位基站以及天线之间通信连接，用于根据UWB 定位基站发射的反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并对智能小车当前的运动状态进行分析和判断，生成决策信息，通过对应的天线向智能小车的机械控制模块传递决策信息；
所述机械控制模块设置在智能小车上，用于根据智能分析模块传送的决策信息来改变智能小车的运动状态。
优选地，所述UWB定位基站设置在智能小车的正上方。
优选地，所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置。
4、一种基于UWB的智能小车定位控制方法，包括以下步骤：
步骤1、预先设定UWB定位基站的信号接收范围，然后沿智能小车的运动路线布置若干UWB定位基站，UWB定位基站的信号接收范围连续覆盖整个智能小车的运动路线，UWB定位基站设置在智能小车的正上方，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号；
步骤2、将UWB定位标签、天线以及机械控制模块分别设置在智能小车上，UWB定位标签上设置有小车识别编号；
步骤3、智能小车按照预先设定的运动路线运动，设置在智能小车上的UWB 定位标签发送脉冲信号给UWB定位基站；
步骤4、UWB定位基站接收并识别所述脉冲信号，根据所述脉冲信号判断该信号是否处于其信号接收范围内；
步骤4.1若UWB定位基站接收到的脉冲信号不属于其信号接收范围内，则将该脉冲信号屏蔽；
步骤4.2若UWB定位基站接收到的脉冲信号属于其信号接收范围内，则向智能分析模块发射反馈信号，并同时发送对应的基站识别编号；
步骤5、智能分析模块根据所述反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时分析和判断智能小车当前的运动状态，做出决策信息，通过对应的天线将决策信息传递给相应的智能小车的机械控制模块；
步骤6、机械控制模块根据所述决策信息来改变智能小车的运动状态。
优选地，所述脉冲信号包括小车识别编号、智能小车的方向角、仰角以及信号到达时间差。
优选地，所述步骤1中，通过限定UWB定位基站接收的脉冲信号中的仰角范围来设定基站的信号接收范围。
优选地，所述智能小车的运动状态包括正常行驶、发生故障停车以及偏离预设路线。
优选地，所述步骤6中，若智能小车发生故障停滞不前，智能分析模块接收到信号后，经计算和分析并做出决策信息，通过对应的天线向后方的智能小车的机械控制模块发出停车信号；若智能小车偏离预设路线，智能分析模块接收到信号后，经计算后得到小车的偏移量，做出决策信息，通过对应的天线向偏离预设路线的小车的机械控制模块发出校正信号。
优选地，所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置，且各个基站的信号接收范围均相同。
本发明的有益效果：
本申请仅仅利用UWB模块就可以实现智能小车的视觉定位和监控控制一体化，极大的扩展了UWB模块的功能，与传统的现有技术相比，免去了依靠各类传感器和摄像头的协同工作达到视觉定位的繁琐步骤，因此系统集成度高，结构简单。同时，本申请又依靠UWB定位技术的特点了实现了在运动路线上的精确定位，从而为智能小车的自动控制、安全防护、远程监控等提供精确的位置信息，因此系统控制精度高。
附图说明
图1为本申请结构示意图；
图2为本申请智能小车偏移预设路线时示意图；
图3为本申请智能小车转弯时示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于UWB的智能小车定位控制系统，包括UWB定位标签、 UWB定位基站、天线、智能分析模块以及机械控制模块；所述UWB定位标签设于智能小车上，用于发送设定频率的脉冲信号，UWB定位标签上还设置有小车识别编号，用于将所述小车识别编号与各智能小车进行匹配，以根据UWB定位标签上的小车识别编号判断该UWB定位标签代表的智能小车；所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线设置，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号，用于接收和识别UWB定位标签发送的脉冲信号，判断所述信息是否处于其信号接收范围内，根据所述脉冲信号向智能分析模块发射反馈信号并同时发送对应的基站识别编号；所述天线设置在智能小车上，用于智能分析模块与智能小车之间的信号传递；所述智能分析模块与UWB定位基站以及天线之间通信连接，根据UWB定位基站传递的反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时对智能小车当前的运动状态进行分析和判断，生成决策信息，通过对应的天线向智能小车的机械控制模块传递决策信息；所述机械控制模块设置在智能小车上，用于根据智能分析模块传送的决策信息来改变智能小车的运动状态。
这是本发明一种基于UWB的智能小车定位控制系统最基本的实施方案。UWB 定位标签将脉冲信号发送给UWB定位基站，基站接收并识别所述脉冲信号，判断所述信息是否处于其信号接收范围内，根据所述脉冲信号向智能分析模块发射反馈信号并同时发送对应的基站识别编号，智能分析模块根据所述反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时对智能小车当前的运动状态进行分析和判断，生成决策信息，智能分析模块又将决策信息通过设置在对应小车上的天线直接发送给小车的机械控制模块，机械控制模块根据所述决策信息改变智能小车的运动状态。本发明对智能小车传统的监控和控制系统进行了改进，仅仅利用UWB模块就可以实现智能小车的视觉定位和监控控制一体化，极大的扩展了UWB模块的功能，并且系统集成度高、结构简单。
实施例2
如图1所示，一种基于UWB的智能小车定位控制系统，包括UWB定位标签、 UWB定位基站、天线、智能分析模块以及机械控制模块；所述UWB定位标签设于智能小车上，用于发送设定频率的脉冲信号，UWB定位标签上还设置有小车识别编号，用于将所述小车识别编号与各智能小车进行匹配，以根据UWB定位标签上的小车识别编号判断该UWB定位标签代表的智能小车；所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线设置，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号，用于接收和识别UWB定位标签发送的脉冲信号，判断所述信息是否处于其信号接收范围内，根据所述脉冲信号向智能分析模块发射反馈信号并同时发送对应的基站识别编号；所述天线设置在智能小车上，用于智能分析模块与智能小车之间的信号传递；所述智能分析模块与UWB定位基站以及天线之间通信连接，根据UWB定位基站传递的反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时对智能小车当前的运动状态进行分析和判断，生成决策信息，通过对应的天线向智能小车的机械控制模块传递决策信息；所述机械控制模块设置在智能小车上，用于根据智能分析模块传送的决策信息来改变智能小车的运动状态。
所述UWB定位基站设置在智能小车的正上方。
所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置。
这是本发明一种基于UWB的智能小车定位控制系统优选的实施方案。在本实施例中，UWB定位基站设置在智能小车的正上方，因此，系统在进行建模和计算分析的时候也更加简单，提高了系统的运算速度和运算精度；进一步地，UWB 定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置，因此，在实际操作过程中，均匀布置的UWB定位基站使得整个控制系统更加简单和简化，并且在实际布置过程中，不需要逐个对基站进行核对和验算。
实施例3
一种基于UWB的智能小车定位控制方法，包括以下步骤：
步骤1、预先设定UWB定位基站的信号接收范围，然后沿智能小车的运动路线布置若干UWB定位基站，UWB定位基站的信号接收范围连续覆盖整个智能小车的运动路线，UWB定位基站设置在智能小车的正上方，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号；
步骤2、将UWB定位标签、天线以及机械控制模块分别设置在智能小车上， UWB定位标签上设置有小车识别编号；
步骤3、智能小车按照预先设定的运动路线运动，设置在智能小车上的UWB 定位标签发送脉冲信号给UWB定位基站；
步骤4、UWB定位基站接收并识别所述脉冲信号，根据所述脉冲信号判断该信号是否处于其信号接收范围内；
步骤4.1若UWB定位基站接收到的脉冲信号不属于其信号接收范围内，则将该脉冲信号屏蔽；
步骤4.2若UWB定位基站接收到的脉冲信号属于其信号接收范围内，则根据所述脉冲信号向智能分析模块发射反馈信号，并同时发送对应的基站识别编号；
步骤5、智能分析模块根据所述反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时分析和判断智能小车当前的运动状态，做出决策信息，通过对应的天线将决策信息传递给相应的智能小车的机械控制模块；
步骤6、机械控制模块根据所述决策信息来改变智能小车的运动状态。
所述脉冲信号包括小车识别编号、智能小车的方向角、仰角以及信号到达时间差。
所述步骤1中，通过限定UWB定位基站接收的脉冲信号中的仰角范围来设定基站的信号接收范围。
所述智能小车的运动状态包括正常行驶、发生故障停车以及偏离预设路线。
所述步骤6中，若智能小车发生故障停滞不前，智能分析模块接收到信号后，经计算和分析并做出决策信息，通过对应的天线向后方的智能小车的机械控制模块发出停车信号；若智能小车偏离预设路线，智能分析模块接收到信号后，经计算和分析得到小车的偏移量，做出决策信息，通过对应的天线向偏离预设路线的小车的机械控制模块发出校正信号。
所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置，且各个基站的信号接收范围均相同。
在本申请中，智能小车在运动时按照固定的预设路线进行移动，在对小车进行定位控制时，具体实施方式如下：
首先，人工预先设定各UWB定位基站的信号接收范围，然后沿着智能小车的预设运动路线布置UWB定位基站，UWB定位基站位于智能小车的正上方，且均在同一高度位置处，在布置基站时，沿途设置的基站的信号接收范围应当连续覆盖整个运动路线，即小车的整个运动路线既没有信号接收盲区，整个运动过程都受到监控和控制，并且各个基站的信号接收范围也没有交叉重叠，因此，通过人工设定基站的信号接收范围，也就相当于将小车的运动路线划分为了若干区段，该区段内的基站就对应负责该区段内智能小车与智能分析模块之间的信号传递，在本申请中，通过限定UWB定位基站接收的脉冲信号中的仰角范围来设定基站的信号接收范围。如图2所示，小车在运动时，UWB定位标签传递的脉冲信号中包括智能小车的仰角，初始在A点时，对于基站1来说小车的仰角为θ1，当小车走到B点时，仰角变为θ2，而此时对于基站2来说，B点位置处小车的仰角为β1，小车走到C点时，仰角变为了β2，设定基站1的信号接收范围为小车的仰角信号在[θ1-θ2)范围内，这是一个左闭右开的区间，相应的基站2 的信号接收范围则设置为小车的仰角信号在[β1-β2)范围内，这也是一个左闭右开的区间。小车在向前运动时，小车对基站2的仰角角度β是逐渐增大的，但是其始终小于θ1，基站2后方的若干基站也同理可得，因此，在从A点向B点运动时，小车始终处于基站1的信号接收范围内而并未落入基站2的信号接收范围内，特殊的，当其运动到B点时，则进入了相邻两个基站的信号交叉点，但是又由于基站的信号接收范围为一个左闭右开的区间，因此，在B点时，小车其实已经进入基站2的信号接收范围内而脱离了基站1的信号接收范围，所以，相邻的两个基站之间并不会存在信号交叉的情况，从而不会导致系统信号混乱。因此，为了简化和方便，基站可以沿着小车的运动路线均匀设置，并且各个基站的信号接收范围均设置为相同的。基站设置完成后，将UWB定位标签、天线以及机械控制模块分别设置在智能小车上，UWB定位标签上设置有小车识别编号，根据小车识别编号来判断该UWB定位标签代表的智能小车。智能小车运动时，按照预先设定的路线进行移动，设置在智能小车上的UWB定位标签发送脉冲信号给UWB定位基站，所述脉冲信号包括小车识别编号、智能小车的方向角、仰角以及信号到达时间差，UWB定位基站接收到脉冲信号以后，首先对上述脉冲信号进行识别，根据脉冲信号中智能小车的仰角来判断该信号是否在其信号接收范围内，如果处于其信号接收范围内，则向智能分析模块发射反馈信号，并同时发送对应的基站编号，如果该信号不属于其信号接收范围内，那么就将此信号屏蔽；智能分析模块接受到基站传来的信号后，首先根据所述信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时分析和判断其当前的运动状态，根据其当前的运动状态生成相应的决策信息，将决策信息通过对应的天线发送给相应的智能小车的机械控制模块，最终，机械控制模块根据所述决策信息来改变智能小车的运动状态。在本申请中，智能小车的运动状态包括正常行驶、发生故障停车以及偏离预设路线，若智能小车发生故障停滞不前，智能分析模块经计算和分析后通过对应的天线向故障车辆后方的智能小车的机械控制模块发出停车信号；如果智能小车偏离预设路线，智能分析模块经计算后得到小车的偏移量，做出相应的决策信息，通过对应的天线向偏离路线的智能小车的机械控制模块发出校正信号，使小车回到预设的正常路线进行行驶。
如图2所示，当智能小车偏离预设路线时，小车的方向角会发生变化，因此当智能分析模块接收到的脉冲信号中的方向角发生变化时，则判定小车当前的运动状态为偏离预设路线，同时智能分析模块经计算得到小车的偏移量，生成决策信息，通过对应的天线向偏离路线的智能小车的机械控制模块发出校正信号，机械控制模块根据传送的决策信息对小车进行自适应调整，和使其回到预设的正常路线进行行驶。图2中，N为基站，P代表智能小车在t1时刻的位置， M代表智能小车在t2时刻的位置。
如图3所示，当智能小车转弯时，其实也属于偏离预设路线的一种特殊情况。图3中，E点为小车转弯的临界点，当小车在DE段内运动时，始终处于DE 段内基站的信号接收范围内，当小车运动到E点时，由于基站的信号接收范围为一个左闭右开的集合，因此，在E点的小车其实已经进入了EF段内的基站的信号接收范围内，此时对于EF段内的基站来说，小车当前的运动状态属于偏离预设路线的情况，因此智能分析模块经计算得到小车的偏移量后，生成相应的决策信息，并通过对应的天线向小车的机械控制模块发出校正信号，机械控制模块根据所述决策信息对小车进行自适应调整，顺利使小车完成转弯动作。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、预先设定UWB定位基站的信号接收范围，然后沿智能小车的运动路线布置若干UWB定位基站，UWB定位基站的信号接收范围连续覆盖整个智能小车的运动路线，UWB定位基站设置在智能小车的正上方，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号；
步骤2、将UWB定位标签、天线以及机械控制模块分别设置在智能小车上，UWB定位标签上设置有小车识别编号；
步骤3、智能小车按照预先设定的运动路线运动，设置在智能小车上的UWB定位标签发送脉冲信号给UWB定位基站；
步骤4、UWB定位基站接收并识别所述脉冲信号，根据所述脉冲信号判断该信号是否处于其信号接收范围内；
步骤4.1若UWB定位基站接收到的脉冲信号不属于其信号接收范围内，则将该脉冲信号屏蔽；
步骤4.2若UWB定位基站接收到的脉冲信号属于其信号接收范围内，则向智能分析模块发射反馈信号，并同时发送对应的基站识别编号；
步骤5、智能分析模块根据所述反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并同时分析和判断智能小车当前的运动状态，做出决策信息，通过对应的天线将决策信息传递给相应的智能小车的机械控制模块；
步骤6、机械控制模块根据所述决策信息来改变智能小车的运动状态；
所述智能小车定位控制方法通过基于UWB的智能小车定位控制系统实现，所述系统包括UWB定位标签、UWB定位基站、天线、智能分析模块以及机械控制模块；
所述UWB定位标签设于智能小车上，用于发送设定频率的脉冲信号，UWB定位标签上还设置有小车识别编号，用于将所述小车识别编号与各智能小车进行匹配，以根据UWB定位标签上的小车识别编号判断该UWB定位标签代表的智能小车；
所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线设置，并且各个UWB定位基站分别设置有对应的基站识别编号，用于接收和识别UWB定位标签发送的脉冲信号，判断所述脉冲信号是否处于其信号接收范围内，根据所述脉冲信号向智能分析模块发射反馈信号并同时发送对应的基站识别编号；
所述天线设置在智能小车上，用于智能分析模块与智能小车之间的信号传递；
所述智能分析模块与UWB定位基站以及天线之间通信连接，用于根据UWB定位基站发射的反馈信号计算得到智能小车的位置坐标信息，并对智能小车当前的运动状态进行分析和判断，生成决策信息，通过对应的天线向智能小车的机械控制模块传递决策信息；
所述机械控制模块设置在智能小车上，用于根据智能分析模块传送的决策信息来改变智能小车的运动状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述UWB定位基站设置在智能小车的正上方。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述脉冲信号包括小车识别编号、智能小车的方向角、仰角以及信号到达时间差。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述步骤1中，通过限定UWB定位基站接收的脉冲信号中的仰角范围来设定基站的信号接收范围。
6.根据权利要求1所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述智能小车的运动状态包括正常行驶、发生故障停车以及偏离预设路线。
7.根据权利要求6所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述步骤6中，若智能小车发生故障停滞不前，智能分析模块接收到信号后，经计算和分析并做出决策信息，通过对应的天线向后方的智能小车的机械控制模块发出停车信号；若智能小车偏离预设路线，智能分析模块接收到信号后，经计算后得到小车的偏移量，做出决策信息，通过对应的天线向偏离预设路线的小车的机械控制模块发出校正信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于UWB的智能小车定位控制方法，其特征在于：所述UWB定位基站沿智能小车的运动路线均匀设置，且各个基站的信号接收范围均相同。
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