CN110531397B - 基于gps与微波的室外巡检机器人定位系统及方法 - Google Patents

基于gps与微波的室外巡检机器人定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统及方法，属于室外机器人定位技术领域。所述基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统，包括GPS定位系统、微波定位系统和机器人导航系统；所述微波定位系统由设在变电站内的不少于三个的微波发射端组成；所述机器人导航系统安装在巡检机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、微波接收端、微波定位处理模块和综合定位芯片。本发明采用GPS与微波复合定位系统，可进一步提高定位系统的精度，同时解决微波定位系统的多值性问题。

Description

基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统及方法，属于室外机器人定位技术领域。
背景技术
在电力系统中，安排定期巡视任务，对变电站设施仪表进行抄读与高压电气设备惯例检查是一项重要任务。目前，变电站巡检工作仍然是一件十分艰巨的工作。传统变电站的人工巡检的方式依旧被国内大多数变电站采用，但巡视人员的诸多因素会直接影响巡检的可靠性，比如巡检人员的工作经验、业务能力、责任心和精神状况等；从效率上来讲，特别是对地区稍偏远的变电站巡检，浪费在路上的人力和时间成本也不容忽视；再者涉及安全性，由于高压设备非常多，巡检人员在变电站穿梭其潜在的危险性也十分具大；同时从管理调度来看，当变电站突发故障，对于偏僻地方少人值守甚至无人值守的变电站，其问题反应的能力弱，应急能力差，远程指挥与调度的难度也非常大。因此，从变电站巡检的可靠性、高效性、安全性及操控性考虑，巡检机器人代替工作人员对变电站实行自动巡检在一定程度上成为一种发展趋势，而准确定位是机器人可靠巡检的基本条件。
移动机器人的定位功能是其导航的多个领域中最重要的一项功能，也是完成机器人导航任务最基本的环节。定位的准确性和可靠性直接决定了移动机器人能否正确完成导航功能。定位机器人常用传感器分为内部传感器和外部传感器。外部传感器需要采集外界信息，外界环境通常随着机器人的运动发生变化，而且外界环境具有随机性、突发性，这对传感器数据的准确性、真实性产生影响，常见的外部传感器有视觉传感器、超声波传感器、温度传感器、激光雷达传感器等。内部传感器安装在机器人上，不与外界信息发生交互，常见的内部传感器有加速度计、光电编码器、陀螺仪等惯性传感器，内部传感器能在短时间内提供准确的信息，实现较高的定位精度。移动机器人的定位是机器人依靠自身的传感器或与外界传感器的信息交互感知自身和周围环境信息，对传感器采集到的数据进行融合处理转换并通过一定的定位算法得到自身位姿的过程。移动机器人的定位根据参照的不同一般分为绝对定位和相对定位，机器人绝对定位的参照坐标为地球坐标系，而相对定位的参照坐标为运行环境，一般研究时将其运行环境坐标系与世界坐标系等价或固连。两种情况下，移动机器人相对于其运行环境的相互位置关系都必须确定，这也是定位技术的研究对象。目前最常用的室外定位方式为全球卫星定位系统(GPS)，GPS在室外定位具有天然的优势，但是民用定位精度较低，对于需要实时得到定位导航信息以及对定位导航系统可靠性要求比较高的系统来说，单独使用GPS是无法满足要求的。机器人定位研究领域主要针对室内机器人相对定位的研究，目前室内化器人常用的定位方式有以下几种：
视觉定位：目前基于视觉的机器人定位技术主要有单目视觉定位、双目视觉定位和全景视觉定位。视觉定位技术主要涉及摄像机标定、图像处理中信号滤波、图像灰度处理、特征提取、直线拟合等技术的研究。北京邮电大学的王轩基于双目视觉定位原理，进行了球形移动机器人的视觉定位研究。哈尔滨工业大学的厉茂海、蔡则苏等人使用基于随机抽样一致的定位算法实现移动机器人单目视觉全局定位。RoboCup机器人领域多用全景视觉定位技术完成机器人在足球场地的定位。还有基于路标的定位：中南大学的刘佳进行了基于路禄的移动机器人视觉定位研究，使用可分离Laplacian算子进行边缘检测实现复杂环境下的机器人定位。但是视觉定位系统算法复杂、成本高、体积大。
航迹推算定位：航迹推算法分为基于惯性传感器的航迹推算定位方法和基于里程计的航迹推算定位方法。里程计通过计算编码器转角结合运动学模型推算机器人位姿。惯性传感器采用陀螺仪传感器测量角速度，加速度计测量加速度，根据测量值的一次积分和二次积分可分别求出角度和位置参数。航迹推算定位系统相对于GPS导航系统而言，是一种自主定位技术，它的优点是通过自身集成的惯性传感器计算出物体的速度和位置信息。但和其他基于惯导元件的定位算法一样，由于自身的误差积累，其定位精度将会随着时间的增长而散发，不适合长距离和长时间的准确定位。
地图匹配定位：机器人通过传感器感知外界的局部环境，建立局部地图，然后通过对比局部环境的几何特征与事先建立好的全局地图确定自身在环境中的位置。地图匹配定位技术的核也在于建立地图模型和匹配算法的研究。Kweon和Kanadel首先采用地图匹配定位方法，通过提取特征和匹配特征估算相对位置的一个起始状态，然后通过多种局部地图获得全局地图在工作环境中的位置与方向，最后用优化的程序迭代估计并计算更精确的位置。
超声波定位：长安大学的张婷基于超声波传感器的测距原理，用四个压电式超声波传感器接收模块接收移动机器人上超声波发射模块发出的超声波信号，计算机器人相对于四个接收模块的距离，利用三点定位原理，结合最小二乘法计算机器人可靠位置。超声波定位抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。但超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围，其覆盖范围小且覆盖范围不宜大于10米，难以在室外大规模应用。
另外，激光雷达定位精度高，但其不能在空旷或环境变动较大、雨雪天气场太阳光直射等场所的应用；射频识别技术中，RFID标签需要精密的前期现场勘查，并提前布置好多个标签；惯导系统存在漂移误差和累积误差；基于视觉的定位对于不同光线、天气和背景处理相当困难。常规的微波定位系统由于发射电台的时间同步性，测量精度不高。即使采用纳秒级授时系统，其定位精度也大于光速*时间精度＝3*108m/s*10-9＝0.3m，目前民用授时系统精度为2纳秒以上，则对应的定位精度为0.6米以上。
由于单个传感器采集到的信息有限且传感器噪声对定位准确性和有效内容产生影响，目前移动机器人定位领域的研究热点是多传感器信息的融合及相应融合算法的研究。
发明内容
为实现室外巡检机器人高精度定位，本发明提供一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统，包括GPS定位系统、微波定位系统和机器人导航系统；所述微波定位系统由设在变电站内的不少于三个的微波发射端组成；所述机器人导航系统安装在巡检机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、微波接收端、微波定位处理模块和综合定位芯片；
所述GPS处理模块用于接收处理GPS天线所接收的GPS信号，同时通过串口将GPS处理模块处理后的GPS定位数据传输给综合定位芯片；
所述微波定位处理模块用于向微波发射端通过串口提供触发信号并记录时间，同时所述微波定位处理模块还向所述微波接收端通过无线方式发出触发信号；在所述微波接收端接收到触发信号后开始计时，直到所述微波接收端接收到微波发射端传输过来的信号时停止计时，所述微波接收端通过无线射频信号向所述微波定位处理模块传输其时间差及接收端编码；
所述综合定位芯片用于对GPS处理模块的GPS定位数据及微波定位处理模块的信号进行综合处理，所述GPS处理模块和微波定位处理模块分别通过串口与所述综合定位芯片连接；在匹配时间后，所述综合定位芯片将机器人的GPS定位数据提交给所述微波定位处理模块，所述微波定位处理模块根据所述GPS定位数据进行查表计算，并进行定位数据的精确值计算。
进一步的，所述微波定位系统采用100MHZ频率的载波，其波长＝光速/频率＝3*108m/s/100*106＝3m。
进一步的，所述微波接收端采用微波接收天线，所述微波发射端采用微波发射电台。
一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，包括以下步骤：
步骤1，在巡检区域内均匀的固定安装有若干个微波发射端，所述微波发射端的间距为25-35米；
步骤2，通过巡检机器人上的GPS天线获取GPS信号，由巡检机器人负载的GPS处理模块获取巡检机器人的GPS定位数据；
步骤3，巡检机器人负载的微波接收端接收各微波发射端发生的脉冲信号，并记录各微波发射端的脉冲信号到达所述微波接收端的时间差；
步骤4，以GPS定位数据为中心做网格，所述网格遍历脉冲信号到达微波接收端的时间差；
步骤5，取步骤4所述网格中与步骤3中时间差最小的网格为机器人位置，再对机器人的坐标进行精确计算。
进一步的，步骤5中对机器人的坐标进行精确计算的方法如下：
根据脉冲信号到达微波接收端的时间差测定巡检机器人到两个微波发射端的距离差，通过该距离差，做出一条双曲线；再测定到另外两个微波发射端的距离差，做出另一条双曲线；根据两条双曲线的交点测定机器人的坐标：
设三个微波发射端的坐标分别为M(XM,YM,ZM)，S1(X1,Y1,Z1)，S2(X2,Y2,Z2)，巡检机器人位置为P(x,y,z)；
Figure BDA0002188594380000051
Figure BDA0002188594380000052
其中，Δd1和Δd2分别根据脉冲信号达到时间差计算得到，三个微波发射端的坐标为已知，机器人的高度z为已知，从而计算得到x和y，并得知机器人的坐标。
进一步的，步骤4中所述网格为2米*2米，其网格精度为0.05米*0.05米。
本发明的有益效果为：
本发明采用GPS与微波复合定位系统，可进一步提高定位系统的精度。先采用GPS进行粗测，其定位精度为5-10米，该精度对应本发明中微波系统为1-2波长，将该定位时间与微波的时间差定位法进行比选，进一步解决微波定位系统的多值性问题，并通过对应两站的相位差精确测定两微波发射端采用授时系统所带来的位置精度偏差。经测定，本系统的定位误差优于0.1米。
附图说明
图1为本发明所述微波定位系统结构示意图；
图2为巡检机器人结构示意图；
图3为根据脉冲信号到达各微波发射端时间差所做出的双曲线示意图；
其中，1-巡检机器人，2-微波发射端，3-GPS天线，4-微波接收端。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统，包括GPS定位系统、微波定位系统和机器人导航系统。
所述GPS定位系统采用的为当前主流商用的GPS定位系统，目前GPS定位方法是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。由于与GPS卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收设备有关的误差，目前主流商用的GPS定位精度为10米。本申请中采用GPS进行初步定位，GPS是较为成熟的商用系统，本申请不再赘述。
所述微波定位系统由设在变电站内的不少于三个的微波发射端组成，如图1所示。
所述机器人导航系统安装在巡检机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、微波接收端、微波定位处理模块和综合定位芯片，如图2所示。
所述GPS处理模块用于接收处理GPS天线所接收的GPS信号，同时通过串口将GPS处理模块处理后的GPS定位数据传输给综合定位芯片。
所述微波定位处理模块用于向微波发射端通过串口提供触发信号并记录时间，同时所述微波定位处理模块还向所述微波接收端通过无线方式发出触发信号；在所述微波接收端接收到触发信号后开始计时，直到所述微波接收端接收到微波发射端传输过来的信号时停止计时，所述微波发射端通过无线射频信号向所述微波定位处理模块传输其时间差及接收端编码。
所述综合定位芯片用于对GPS处理模块的GPS定位数据及微波定位处理模块的信号进行综合处理，所述GPS处理模块和微波定位处理模块分别通过串口与所述综合定位芯片连接；在匹配时间后，所述综合定位芯片将机器人的GPS定位数据提交给所述微波定位处理模块，所述微波定位处理模块根据所述GPS定位数据进行查表计算，并进行定位数据的精确值计算。
本实施例中，所述微波定位系统采用100MHZ频率的载波，其波长＝光速/频率＝3*108m/s/100*106＝3m。
所述微波接收端可采用微波接收天线，所述微波发射端可采用微波发射电台。
实施例2
一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，包括以下步骤：
步骤1，在巡检区域内均匀的固定安装有若干个微波发射端，所述微波发射端的间距为25-35米；
步骤2，通过巡检机器人上的GPS天线获取GPS信号，由巡检机器人负载的GPS处理模块获取巡检机器人的GPS定位数据；
步骤3，巡检机器人负载的微波接收端接收各微波发射端发生的脉冲信号，并记录各微波发射端的脉冲信号到达所述微波接收端的时间差；
步骤4，以GPS定位数据为中心做2米*2米的网格，每个网格精度为0.05米*0.05米，所述网格遍历脉冲信号到达微波接收端的时间差；
步骤5，取步骤4所述网格中与步骤3中时间差最小的网格为机器人位置，再对机器人的坐标进行精确计算。
其中对机器人的坐标进行精确计算的方法如下：
根据脉冲信号到达微波接收端的时间差测定巡检机器人到两个微波发射端的距离差，通过该距离差，做出一条双曲线；再测定到另外两个微波发射端的距离差，做出另一条双曲线；根据两条双曲线的交点测定机器人的坐标，如图3所示：
设三个微波发射端的坐标分别为M(XM,YM,ZM)，S1(X1,Y1,Z1)，S2(X2,Y2,Z2)，巡检机器人位置为P(x,y,z)；
Figure BDA0002188594380000071
Figure BDA0002188594380000072
其中，Δd1和Δd2分别根据脉冲信号达到时间差计算得到，三个微波发射端的坐标为已知，机器人的高度z为已知，从而计算得到x和y，并得知机器人的坐标。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在巡检区域内均匀的固定安装有若干个微波发射端，所述微波发射端的间距为25-35米；
步骤2，通过巡检机器人上的GPS天线获取GPS信号，由巡检机器人负载的GPS处理模块获取巡检机器人的GPS定位数据；
步骤3，巡检机器人负载的微波接收端接收各微波发射端发生的脉冲信号，并记录各微波发射端的脉冲信号到达所述微波接收端的时间差；
步骤4，以GPS定位数据为中心做网格，所述网格遍历脉冲信号到达微波接收端的时间差；
步骤5，取步骤4所述网格中与步骤3中时间差最小的网格为机器人位置，再对机器人的坐标进行精确计算。
2.根据权利要求1所述的基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，其特征在于，步骤5中对机器人的坐标进行精确计算的方法如下：
根据脉冲信号到达微波接收端的时间差测定巡检机器人到两个微波发射端的距离差，通过该距离差，做出一条双曲线；再测定到另外两个微波发射端的距离差，做出另一条双曲线；根据两条双曲线的交点测定机器人的坐标：
设三个微波发射端的坐标分别为M(XM,YM,ZM)，S1(X1,Y1,Z1)，S2(X2,Y2,Z2)，巡检机器人位置为P(x,y,z)；
Figure FDA0002462263670000011
Figure FDA0002462263670000012
其中，Δd1和Δd2分别根据脉冲信号达到时间差计算得到，三个微波发射端的坐标为已知，机器人的高度z为已知，从而计算得到x和y，并得知机器人的坐标。
3.根据权利要求1所述的基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，其特征在于，步骤4中所述网格为2米*2米，其网格精度为0.05米*0.05米。
4.根据权利要求1所述的基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，其特征在于，应用于基于GPS与微波的室外巡检机器人定位系统，所述室外巡检机器人定位系统包括GPS定位系统、微波定位系统和机器人导航系统；所述微波定位系统由设在变电站内的不少于三个的微波发射端组成；所述机器人导航系统安装在巡检机器人本体上，包括GPS天线、GPS处理模块、微波接收端、微波定位处理模块和综合定位芯片；
所述GPS处理模块用于接收处理GPS天线所接收的GPS信号，同时通过串口将GPS处理模块处理后的GPS定位数据传输给综合定位芯片；
所述微波定位处理模块用于向微波发射端通过串口提供触发信号并记录时间，同时所述微波定位处理模块还向所述微波接收端通过无线方式发出触发信号；在所述微波接收端接收到触发信号后开始计时，直到所述微波接收端接收到微波发射端传输过来的信号时停止计时，所述微波接收端通过无线射频信号向所述微波定位处理模块传输其时间差及接收端编码；
所述综合定位芯片用于对GPS处理模块的GPS定位数据及微波定位处理模块的信号进行综合处理，所述GPS处理模块和微波定位处理模块分别通过串口与所述综合定位芯片连接；在匹配时间后，所述综合定位芯片将机器人的GPS定位数据提交给所述微波定位处理模块，所述微波定位处理模块根据所述GPS定位数据进行查表计算，并进行定位数据的精确值计算。
5.根据权利要求4所述的基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，其特征在于，所述微波定位系统采用100MHZ频率的载波。
6.根据权利要求4所述的基于GPS与微波的室外巡检机器人定位方法，其特征在于，所述微波接收端采用微波接收天线，所述微波发射端采用微波发射电台。
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