CN110753303A - 一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,包括服务器;多个基站;以及多个服务机器人;所述服务机器人上设置有控制单元,控制单元与所述服务器通讯连接;所述服务机器人上还设置有第一UWB定位板,所述服务器通过第一UWB定位板确定服务机器人的当前位置,计算服务机器人和每个基站之间相对位置的变化,将所述相对位置的变化与所述运动信息进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的运动控制指令。本申请还提供了一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法,具有系统构建简单、成本低、稳定性高、定位精度高的优点,采用多传感器融合的服务机器人定位系统可以保证±5cm的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域,尤其涉及一种服务机器人的室内定位系统及方法。
背景技术
定位技术分为室外定位技术和室内定位技术。室外定位技术借助于全球导航定位系统利用卫星和移动对象之间的直接通信,可以完成精确的定位。服务机器人若要在室内环境中自主完成导航任务,需要首先知道自己在环境中的全局位置,即机器人自主定位问题。现有的室内服务机器人,定位是服务机器人设计的关键技术,由于室内环境GPS定位无法正常运行,目前室内服务机器人的定位主要采用激光导航SLAM定位方法、视觉SLAM定位方法。由于激光导航SLAM定位、视觉定位传感器价格昂贵,数据处理计算量大,实时性较差,应用成本较高,而且对于复杂环境,这两种系统以及方法不能提供很好的定位精度。
UWB(Ultra Wideband,超宽带)是一种无载波通信技术,利用纳秒至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,抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大发送功率非常小。
因此如果能将UWB定位技术与服务机器人的定位需求相结合,将有助于提高室内服务机器人定位的实时性和精确度。
发明内容
本发明的一个目的在于,将UWB定位技术与服务机器人的定位需求相结合,提供一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统及方法。
本发明解决其技术问题提供了一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,包括服务器;设置在室内的多个基站;以及设置在室内的多个服务机器人;所述服务机器人上设置有具有唯一性标识的控制单元,控制单元与所述服务器通讯连接,用于接收来自服务器的运动控制指令,并控制服务机器人按照所述运动控制指令进行运动;所述服务机器人上还设置有第一UWB定位板,第一UWB定位板用于确定服务机器人的当前位置和运动信息;所述服务器通过第一UWB定位板确定服务机器人的当前位置,计算服务机器人和每个基站之间相对位置的变化,将所述相对位置的变化与所述运动信息进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的运动控制指令。
进一步地,所述第一UWB定位板包括:主控制器,通过CAN总线电路与所述服务器通讯连接,实现与所述服务器的双向数据通讯;和DWM1000定位模块,通过SPI总线与所述主控制器连接,用于实现定位功能。
进一步地,所述每个基站上设置有第二UWB定位板,第二UWB定位板用于确定基站位置;所述第二UWB定位板的结构包括:主控制器,通过CAN总线电路与所述服务器通讯连接,实现与所述服务器的双向数据通讯;和DWM1000定位模块,通过SPI总线与所述主控制器连接,用于实现定位功能。
进一步地,所述第一UWB定位板还包括用于获取服务机器人运动信息的辅助定位系统,用于检测服务机器人当前的运动信息。
进一步地,所述辅助定位系统采用MPU9250芯片,用来提取所述服务机器人的当前运动信息,实现辅助定位功能。
本申请还提供了一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法,适用于基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,包括:服务器向服务机器人上的控制单元发送运动路线信息及运动控制指令;服务器向第一UWB定位板发送定位请求,接收来自第一UWB定位板的当前位置信息和当前运动信息;服务器将接收到的来自第一UWB定位板的当前位置信息与基站位置进行对比,计算所述当前位置信息和每个基站之间相对位置的变化;服务器将所述相对位置的变化与所述运动路线信息进行对比,将所述当前运动信息与所述运动控制指令进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的控制指令。
进一步地,服务器向第二UWB定位板发送定位请求,接收来自第二UWB定位板的位置信息,用于确定对应基站位置。
进一步地,所述来自第一UWB定位板的当前位置信息和当前运动信息,和/或来自第二UWB定位板的位置信息,均携带有时间戳。
进一步地,所述服务器不定时向第一UWB定位板和第二UWB定位板发送时间同步信号,确认所有UWB定位板当前时间一致;若出现某一UWB定位板时间与其他UWB定位板不同,则远程强制修改其当前时间,实现所有UWB定位板的时间同步。
与现有技术相比,本发明具有系统构建简单、成本低、稳定性高、定位精度高的优点,采用UWB技术的服务机器人定位系统可以保证±5cm的定位精度,可准确判断服务机器人的运动是否符合服务器的控制指令。
附图说明
图1是基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法流程图。
图2是第一UWB定位板的结构电路图。
图3是基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明,但并不作为对本发明限制的依据。
实施例:
一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,包括服务器、设置在室内的多个基站;以及设置在室内的多个服务机器人。服务器可以是本地服务器也可以是远程服务器。每个服务机器人上设置有具有唯一性标识的控制单元,控制单元与所述服务器通讯连接,用于接收来自服务器的运动控制指令,并控制服务机器人按照所述运动控制指令进行运动。可选的,控制单元可以是或者包括一种有源标签,能做成不同的形态固定在服务机器人身上使用,在不同应用环境下拥有多变性,每一个标签都有唯一的ID号,可通过这个ID号将对应的服务机器人联系起来。标签传输信号持续时间很短,能够允许成百上千的标签同时定位,也即同一空间内可实现对多个服务机器人的定位。
每个服务机器人上还设置有第一UWB定位板,第一UWB定位板用于确定服务机器人的当前位置和服务机器人的运动信息。服务器通过第一UWB定位板确定服务机器人的当前位置,计算服务机器人和每个基站之间相对位置的变化,将所述相对位置的变化与所述运动信息进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的运动控制指令。
本申请中的基站可以是固定位置的基站也可以是可移动基站,如果是可移动基站,则每个基站上设置有第二UWB定位板,第二UWB定位板用于确定基站位置。
当为固定位置的基站时,服务器仅需获取每个服务机器人的当前位置信息,将服务机器人的当前位置信息与基站位置信息进行对比,就可得知服务机器人相对基站的运动情况;当为可移动基站时,服务器需同时获取服务器的当前位置信息和每个基站的位置信息,将服务机器人的当前位置信息与每个基站的位置信息进行对比,得知服务机器人相对每个基站的运动情况。
第一UWB定位板和/或第二UWB定位板包括:主控制器和DWM1000定位模块,主控制器通过CAN总线电路与所述服务器通讯连接,实现与所述服务器的双向数据通讯;DWM1000定位模块通过SPI总线与所述主控制器连接,用于实现定位功能。本实施例中,主控制器采用STM32F429VIT6控制器,CAN总线电路采用TJA1050收发器。
第一UWB定位板还包括用于获取服务机器人运动信息的辅助定位系统,用于检测服务机器人当前的运动信息。辅助定位系统采用MPU9250芯片,用来提取服务机器人的姿态信息、当前运动信息,实现辅助定位功能。MPU9250芯片内部集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计,STM32F429VIT6主控器可以通过I2C总线与MPU9250芯片实现双向通信,传输速率可达400kHz/s;MPU9250自带的数字运动处理器DMP硬件加速引擎,可以整合九轴传感器数据。具体连接结构如图2所示。
基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统实现室内定位的方法,以室内设置3个可移动基站,1个服务机器人为例,如图1所示,包括:
S10:服务器向服务机器人上的控制单元发送运动路线信息及运动控制指令;
S20:控制单元根据接收到的运动路线信息及运动控制指令控制服务机器人进行运动;
S30:服务器向第一UWB定位板发送定位请求,接收来自第一UWB定位板的当前位置信息和当前运动信息;
具体的,第一UWB定位板通过DWM1000定位模块实现定位,将定位信息发送主控制器,通过辅助定位系统确定服务机器人的当前运动信息,将当前运动信息发送主控制器,主控制器将定位信息和当前运动信息发送至服务器。
服务器获取服务机器人的当前运动信息的具体方法为,通过主控制器实现MPU9250芯片初始化,读出MPU9250芯片加速度传感器和角速度传感器的原始数据,将其转换为姿态角:航向角YAW、横滚角ROLL和俯仰角PITCH;当带有控制单元(即标签)的服务机器人运动时,通过提取姿态角中的航向角YAW,实现航向判断;将MPU9250中的三轴加速度和三轴角速度,转化为对地加速度,通过判断对地加速度,获知物体是否在运动;通过双重积分加速度,可以得到位移信息。
S40:服务器将接收到的来自第一UWB定位板的当前位置信息与基站位置进行对比,计算所述当前位置信息和每个基站之间相对位置的变化;
具体的,当室内基站为固定位置的基站时,服务器通过第一UWB定位板获取每个服务机器人的当前位置信息,将服务机器人的当前位置信息与基站位置信息进行对比,获得服务机器人相对基站的位置变化;当室内基站为可移动基站时,服务器同时向第二UWB定位板发送定位请求,以获取服务器的当前位置信息和每个基站的位置信息,将服务机器人的当前位置信息与每个基站的位置信息进行对比,获得服务机器人相对每个基站的运动情况。具体地,三个第二UWB定位板收到来自服务器的定位请求后,将各自位置坐标(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)携带自身设备标识后发送至服务器;服务器计算第一UWB定位板与3个第二UWB定位板之间的相对位置。
S50、服务器将所述相对位置的变化与所述运动路线信息进行对比,将所述当前运动信息与所述运动控制指令进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的控制指令。
进一步地,如图3所示,第一UWB定位板200收到位置请求后确定其与其他三个第二UWB定位板201、202、203之间的距离,分别为d1,d2,d3,服务器100根据以下公式计算第一UWB定位板的理论位置信息x(x0,y0)并确定服务机器人的运动趋势是否符合控制命令:
d1 2=(x1-x0)2+(y1-y0)2
d2 2=(x2-x0)2+(y2-y0)2
d3 2=(x3-x0)2+(y3-y0)2。
上式通过最小二乘法求解最小方差解得到坐标信息。
可以得到下列矩阵Hx=b
最终解为:x=(HTH)-1HTb,即第一UWB定位板的x、y坐标,以此作为第一UWB定位板的理论当前位置,将第一UWB定位板的理论当前位置与实际当前位置进行对比,也能判断出服务机器人的运动趋势是否正确。如果二者相同,则服务机器人的运动趋势与接收到的控制指令相符,否则,说明不相符。
此外,来自第一UWB定位板的当前位置信息和当前运动信息,和/或来自第二UWB定位板的位置信息,均携带有时间戳,服务器通过时间戳来保证接收数据的同时性,为了避免第一UWB定位板和第二UWB定位板之间产生时间不同步的情况,服务器会不定时向第一UWB定位板和第二UWB定位板发送时间同步信号,确认所有UWB定位板当前时间一致;若出现某一UWB定位板时间与其他UWB定位板不同,则远程强制修改其当前时间,实现所有UWB定位板的时间同步。
以下给出实验工程中的测试参数,通过在室内实验场地每隔2米画一个测试点,测试距离范围为0米-40米,第一UWB定位板安装在服务机器人上;测量到的数据发送到服务器,测试数据如表1所示,从表1可以看出采用本发明所提供的UWB测距传感器的测距精度可以保证定位算法的实现。
表1距离测试数据
表2定位测试数据
提取到距离数据后,通过相应算法实现定位点坐标测量,测试数据如表1、表2所示,可以看出采用本发明所提供的定位方法可以保证±5cm的定位精度。
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 (9)
1.一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,其特征在于,包括
服务器;
设置在室内的多个基站;
以及设置在室内的多个服务机器人;
所述服务机器人上设置有具有唯一性标识的控制单元,控制单元与所述服务器通讯连接,用于接收来自服务器的运动控制指令,并控制服务机器人按照所述运动控制指令进行运动;
所述服务机器人上还设置有第一UWB定位板,第一UWB定位板用于确定服务机器人的当前位置和运动信息;
所述服务器通过第一UWB定位板确定服务机器人的当前位置,计算服务机器人和每个基站之间相对位置的变化,将所述相对位置的变化与所述运动信息进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的运动控制指令。
2.根据权利要求1或2所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,其特征在于,所述第一UWB定位板包括:
主控制器,通过CAN总线电路与所述服务器通讯连接,实现与所述服务器的双向数据通讯;和DWM1000定位模块,通过SPI总线与所述主控制器连接,用于实现定位功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,其特征在于,所述每个基站上设置有第二UWB定位板,第二UWB定位板用于确定基站位置;所述第二UWB定位板的结构包括:
主控制器,通过CAN总线电路与所述服务器通讯连接,实现与所述服务器的双向数据通讯;和DWM1000定位模块,通过SPI总线与所述主控制器连接,用于实现定位功能。
4.根据权利要求3所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,其特征在于,所述第一UWB定位板还包括用于获取服务机器人运动信息的辅助定位系统,用于检测服务机器人当前的运动信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,其特征在于,所述辅助定位系统采用MPU9250芯片,用来提取所述服务机器人的当前运动信息,实现辅助定位功能。
6.一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法,适用于权利要求1-5任一基于多传感器融合的服务机器人室内定位系统,其特征在于,包括:
服务器向服务机器人上的控制单元发送运动路线信息及运动控制指令;
服务器向第一UWB定位板发送定位请求,接收来自第一UWB定位板的当前位置信息和当前运动信息;
服务器将接收到的来自第一UWB定位板的当前位置信息与基站位置进行对比,计算所述当前位置信息和每个基站之间相对位置的变化;
服务器将所述相对位置的变化与所述运动路线信息进行对比,将所述当前运动信息与所述运动控制指令进行对比,判断所述服务机器人的运动是否符合服务器的控制指令。
7.根据权利要求6所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法,其特征在于,服务器向第二UWB定位板发送定位请求,接收来自第二UWB定位板的位置信息,用于确定对应基站位置。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法,其特征在于,所述来自第一UWB定位板的当前位置信息和当前运动信息,和/或来自第二UWB定位板的位置信息,均携带有时间戳。
9.根据权利要求8所述的一种基于多传感器融合的服务机器人室内定位方法,其特征在于,所述服务器不定时向第一UWB定位板和第二UWB定位板发送时间同步信号,确认所有UWB定位板当前时间一致;若出现某一UWB定位板时间与其他UWB定位板不同,则远程强制修改其当前时间,实现所有UWB定位板的时间同步。
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