CN110988791A - 一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，它包括球形机器人、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站及通过WIFI与球形机器人进行通信的上位机，所述球形机器人和UWB基站均位于电缆通道内，球形机器人上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站分别与球形机器人和UWB基站进行无线通信。本发明将UWB技术与WIFI技术相结合，依据电缆通道实际情况设计了该系统下UWB基站的布设方式以及依照此布置方式执行定位的方法，提高了球形机器人在电缆通道中的定位精度、可靠性和安全性。

Description

一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种机器人定位系统，尤其涉及一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，属于机器人技术领域。

背景技术

电力管廊、电缆隧道空间狭小，环境恶劣，不适合人工巡检。近年来，随着机器人技术的迅猛发展，智能机器人逐渐地被应用到电力管廊、电缆隧道中的巡检中去。而研究电缆通道球形机器人的定位系统在智能机器人电力隧道巡检中又是极为重要的一环，因此迫切需要一种适用于电缆通道球形机器人的定位方法与系统。

根据定位系统应用场景不同，无线定位系统分为室外定位系统和室内定位系统，因此电缆通道下球形机器人的定位系统属于室内定位系统设计。但是由于管廊环境复杂，环境恶劣，室内定位时多径传播现象将更加严重，这将直接导致接收信号场强的不稳定性和时变性，定位系统的性能和稳定度都成为了突出问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，依据电缆通道实际情况设计了该系统下UWB基站的布设方式以及依照此布置方式执行定位的方法，本发明将UWB技术与WIFI技术相结合，提高了球形机器人在电缆通道中的定位精度、可靠性和安全性，有效的解决了上述存在的问题。

本发明的技术方案为：一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，它包括球形机器人、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站及通过WIFI与球形机器人进行通信的上位机，所述球形机器人和UWB基站均位于电缆通道内，球形机器人上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站分别与球形机器人和UWB基站进行无线通信。

所述电缆通道的高度为d，UWB基站在电缆通道内上下重叠布置两排，底排UWB基站之间的间距为

，其中：R为两台UWB基站之间的稳定通讯距离，顶排之间的距离为底排的两倍。

所述视距和非视距判断算法模块经训练后可以精准地判断UWB标签接收到的信号属于非视距或视距情况，从而进行下一步的距离解算。

所述球形机器人的WIFI强度感应模块可以通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人的位置。

一种用于电缆通道球形机器人定位系统的定位方法，所述方法步骤为：一、使用上位机上的UWB定位算法模块进行球形机器人的定位计算，球形机器人上的UWB标签将接收来自UWB基站的信号，进行距离计算；二、建立以UWB基站1为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向的坐标系Oxy；三、利用步骤一得到的距离后，球形机器人上的UWB标签与相邻的三个UWB基站相连得到两个三角形，通过面积的两种不同表示，可以得到球形机器人上的UWB标签的横纵坐标，最终统一到坐标系Oxy下，球形机器人在坐标系Oxy下的坐标为：

，其中a、b、c分别为球形机器人距3个相邻UWB基站的距离，p为所形成三角形周长的一半，w、h为三角形的宽与高；四、将UWB定位算法模块与WIFI指纹匹配定位算法模块相结合，优劣势互补，在非视距情况下，使用WIFI指纹匹配定位算法模块，在视距情况下，程序将切换到UWB定位算法模块。

本发明的有益效果是：

本发明提出的球形机器人的定位系统和方法，采用了UWB技术和WIFI定位技术，能够明显提高定位精度、可靠性以及安全性，使得球形机器人在电缆隧道中进行巡检有了可能性，能够代替人类在电缆隧道这一狭小空间内进行巡检和在线监测；

本发明将球形机器人和上位机的功能分割，球形机器人上只需拥有电源模块、WIFI感应模块、UWB模块、MCU控制系统、运动控制系统；上位机则拥有WIFI强度指纹定位模块、UWB定位算法、视距、非视距判断模块、WIFI强度指纹库，将功能复杂的模块全置于上位机，因此使球形机器人的续航能力得到大大加强。

本发明提出的球形机器人的定位系统中含有基于UWB技术的视距、非视距判断模块，模块由多层状态感知机组成，该状态判断模块能够准确区分视距、非视距，从而显著降低非视距情况下进行定位算法解算产生的误差。

本发明通过UWB定位算法与WIFI指纹判断模块相结合，两者优势互补，在视距情况下，采用UWB定位算法进行球形机器人位置的解算；在非视距情况下，程序将切换到WIFI强度指纹定位模块，通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人的位置。

附图说明

图1为本发明的布置示意图；

图2为本发明的系统原理图；

图3为本发明的视距和非视距判断模块图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照本说明书附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：如附图1～4所示，一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，它包括球形机器人6、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站8及通过WIFI与球形机器人6进行通信的上位机，所述球形机器人6和UWB基站均位于电缆通道7内，球形机器人6上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块、WIFI强度指纹库和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站8分别与球形机器人6和UWB基站进行无线通信。

WIFI强度指纹匹配定位算法模块就是将收到的各个RSSI值与WIFI强度指纹库中的各个地点的采样RSSI值进行比对，相似度最高的地点即认为球形机器人的位置，UWB定位算法模块即根据球形机器人上的UWB标签与相邻三个基站的距离得到球形机器人在Oxy坐标下的位置。

进一步的，电缆通道7的高度为d，UWB基站在电缆通道7内上下重叠布置两排，底排UWB基站之间的间距为，其中：R为两台UWB基站之间的稳定通讯距离，顶排之间的距离为底排的两倍。水平方向上相邻的三个UWB基站为1组，可以根据电缆通道7的长度设定放置组数，最大限度的利用UWB基站的辐射范围。

进一步的，视距和非视距判断算法模块经训练后可以精准地判断UWB标签接收到的信号属于非视距或视距情况，从而进行下一步的距离解算。

进一步的，球形机器人6的WIFI强度感应模块可以通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人6的位置。

一种用于电缆通道球形机器人定位系统的定位方法，所述方法步骤为：一、使用上位机上的UWB定位算法模块进行球形机器人6的定位计算，球形机器人6上的UWB标签将接收来自UWB基站的信号，进行距离计算；二、建立以UWB基站1为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向的坐标系Oxy；三、利用步骤一得到的距离后，球形机器人6标签与相邻的三个UWB基站相连得到两个三角形，通过面积的两种不同表示，可以得到球形机器人6标签的横纵坐标，最终统一到坐标系Oxy下，可以得到球形机器人6在坐标系Oxy下的坐标为：

，其中a、b、c分别为球形机器人6距3个相邻UWB基站的距离，p为所形成三角形周长的一半，w、h为三角形的宽与高；四、将UWB定位算法模块计算所得结果与WIFI指纹匹配定位算法模块相结合，优劣势互补，在非视距情况下，使用WIFI指纹匹配定位算法模块，在视距情况下，程序将切换到UWB定位算法模块。

步骤一中，在解算球形机器人6在电缆通道7中的位置时，将电缆通道7的典型一段划分为2个区域（Ⅰ、Ⅱ），其工作模式如下：当球形机器人6位于区域Ⅰ时，即与UWB基站1和UWB基站2的距离均小于

时，球形机器人6的坐标解算将使用与UWB基站1、UWB基站2和UWB基站5的距离；当球形机器人6位于区域Ⅱ时，即与UWB基站1和UWB基站2的距离均大于

时，球形机器人6的坐标解算将使用与UWB基站3、 UWB基站4和基站5的距离。

进一步，用于电缆隧道巡检的球形机器人6上固定有UWB模块，该模块可以发送和接收频率在3.1~10.6GHz的信号，并通过WIFI将数据源传给上位机，上位机将数据源中的信道脉冲响应估计噪声的标准偏差、接收信道功率估计、第一路径接收信道功率估计归一化后的三维数据提供给视距和非视距状态判断算法，输出2维数据从而判断当前环境为非视距环境或视距环境。若处于视距环境，则上位机的程序将切换到UWB定位算法中，进行球形机器人坐标位置的解算，根据两者的时间来计算出基站与标签之间的距离，因此获得具有较高精度的坐标值；若判断处于非视距环境下，则程序将切换到WIFI强度指纹定位模块，从球形机器人的WIFI感应模块中获得RSSI强度值，并进行降噪处理，最后与上位机的WIFI指纹库进行比对，来获得球形机器人的坐标位置。

进一步，本发明使用的视距与非视距判断算法是一个五层的感知机，用于提取视距情况和非视距情况下的UWB信号的特征，输入层为归一化后的信道脉冲响应估计噪声的标准偏差、接收信道功率估计、第一路径接收信道功率估计的三维数据，三层隐藏层设置了具有5、12、3个神经元，输出层为2维数据（0，1）或（1，0），分别对应着视距情况和非视距情况。

同时WIFI强度感应模块将实时的接收来自WIFI基站的信号，并将获得MAC地址值以及RSSI值，降噪滤波后与WIFI指纹库进行比对，使用一定的位置估算算法，获得球形机器人的坐标位置。

进一步，本系统中采用双向飞行时间法，来计算基站与标签之间的距离。使 用双向飞行时间法时UWB信号的传输流程简述为：基站1、2、3、4发出信号， 标签接收多个UWB基站的信号，并记录下时间戳TTAT，并在一段时延T_reply后再次发出响应信号，以供基站接收信号并记录下时间戳TTOT。两次时间戳之 差再减去一段时延即为信号传输的时间，即：

TTOF＝(TTOT-TTAT-T_reply)/2

TTOF与光速的乘积即为标签与基站1、2、3、4、5的距离。

进一步，视距、非视距判断模块使用了多层感知机，用以提取UWB标签接收到的信号特征，训练完毕后的多层感知机对视距、非视距判断的准确率可达到90%。

下面以所摆放基站方式为电缆通道7中的典型一段（共5个基站）进行说明，电缆通道7中其他段的布设方式与计算方式均与下述相似。

本具体实施方式公开了一种用于电缆通道球形机器人的定位系统及其定位方法，系统框图如图1所示，在电缆通道7的入口上下两端放置两个基站1、2，在基站1同侧与基站1距离

处放置基站5，在距基站5同侧与基站5距离

处放置基站3，在基站3的正对位置放置基站4。

进行UWB定位时，上位机控制5个基站发送UWB信号，基站记录下此时的时间戳，并将球形机器人的UWB模块设置为接收模式，球形机器人上的UWB模块在接收到来自基站1、2、3、4、5的信号后，经过一定时延后，发出响应信号，基站接收到来自标签的信号后记录下此刻的时间戳，最终得到球形机器人某个时刻距五个基站的距离。

建立以基站1为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向的坐标系Oxy，例如球形机器人位于区域Ⅰ时，将球形机器人与基站1、2、5相连，得到两个三角形，球形机器人到三点的距离即为两个三角形的两条边，两个三角形的另一边均已知，利用面积公式的两种表达，得到球形机器人距基站1、2连线的距离以及基站1、5连线的距离，再转换到坐标系Oxy下，最终可以得到球形机器人在坐标系Oxy下的坐标。

因此，球形机器人6定位流程如下：

定位标签将接收到的UWB信号，通过WIFI传输给上位机，上位机将调用视距、非视距判断模块，使用多层感知器来较准确地判断所接收到的信号是否在视距情况下或非视距情况下。当多层感知器判断当前信号输入为视距环境下时，将单独的使用UWB定位算法，以获得球形机器人真实的位置和速度变化情况。当多层感知器判断当前信号输入为非视距环境下时，程序将禁止UWB定位算法，将使用WIFI强度指纹模块进行定位，通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，估算球形机器人的位置。

WIFI强度指纹模块中的WIFI强度指纹库是在系统未使用前采集的。因为位置指纹可以用作某一位置的识别信息，在定位区域内每个位置处都对应着唯一的识别特征，每一个指纹信息都对应着一个位置信息，WIFI信号强度RSSI是可以用来作为位置指纹的最简单和最有效的表征，因此将通过RSSI来实现定位。基于指纹库定位算法的原理是多次重复测量该标签处的RSSI值，通过K-Means聚类算法建立出被优化过的RSSI强度指纹库，再根据实际运行时实时测量的RSSI，通过一定的匹配算法来估算出当前标签的坐标位置。

需要说明的是，WIFI指纹库的建立是建立在特定环境下的，不具有普适性，是一种统计意义上的估算。每一个搭载WIFI强度指纹模块的系统，都需要有一个WIFI强度指纹库的离线建立阶段。在本系统中，在离线采集阶段，将电缆隧道划分为一个满足巡检要求精度的网格区域，控制球形机器人运行到网格区域的各个位置点，将WIFI感应模块的MAC地址和预处理过的强度值存入WIFI强度指纹库，随着网格区域的扫描完毕，也就形成了该电缆隧道特有的WIFI强度指纹库，这将作为WIFI指纹强度定位模块的判断依据。球形机器人在电缆隧道中运行时，固定于球形机器人的WIFI感应模块将接收到各个WIFI基站的强度，组成指纹强度向量，这些信息都将输送到上位机，利用WIFI强度指纹定位模块进行坐标位置的解算。

UWB无线传输技术是一种以极低的功率在短距离的情况下高速传输数据的无线技术，并具有抗多径衰落、多径分辨率高和穿透力强等优点。因此UWB技术在定位精度、可靠性和安全性方面比其他的室内定位技术都具有优势，因此本文提出一种基于UWB技术与WIFI技术相结合的用于电缆通道球形机器人的定位方法与系统。

对于UWB定位时非视距环境是定位误差产生的主要原因，因此本文提出的用于电缆通道球形机器人的定位方法与系统将使用多层感知机来构成非视距、视距状态状态判断算法，通过数据驱动的方式来准确判断当前环境为非视距环境或视距环境，从而进行下一步的球形机器人的坐标位置的定位。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：它包括球形机器人（6）、若干个可收发UWB信号的UWB基站、WIFI基站（8）及通过WIFI与球形机器人（6）进行通信的上位机，所述球形机器人（6）和UWB基站均位于电缆通道（7）内，球形机器人（6）上有电源模块、WIFI强度感应模块及可收发UWB信号的UWB标签、MCU控制模块和运动控制模块，上位机中设有UWB定位算法模块、视距和非视距判断算法模块和WIFI强度指纹匹配定位算法模块，上位机通过WIFI基站（8）分别与球形机器人（6）和UWB基站进行无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：所述电缆通道（7）的高度为d，UWB基站在电缆通道（7）内上下重叠布置两排，底排UWB基站之间的间距为

，其中：R为两台UWB基站之间的稳定通讯距离，顶排之间的距离为底排的两倍。

3.根据权利要求1所述的用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：所述视距和非视距判断算法模块经训练后可以精准地判断UWB标签接收到的信号属于非视距或视距情况，从而进行下一步的距离解算。

4.根据权利要求1所述的用于电缆通道球形机器人的定位系统，其特征在于：所述球形机器人（6）的WIFI强度感应模块可以通过WIFI感应模块接收到的RSSI强度值与在离线情况下测得的WIFI强度指纹库比较，利用匹配算法估算球形机器人（6）的位置。

5.根据权利要求1～4任一项所述的用于电缆通道球形机器人定位系统的定位方法，其特征在于：所述方法步骤为：一、使用上位机上的UWB定位算法模块进行球形机器人（6）的定位计算，球形机器人（6）上的UWB标签将接收来自UWB基站的信号，进行距离计算；二、建立以UWB基站1为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向的坐标系Oxy；三、利用步骤一得到的距离后，球形机器人（6）标签与相邻的三个UWB基站相连得到两个三角形，通过面积的两种不同表示，可以得到球形机器人（6）标签的横纵坐标，最终统一到坐标系Oxy下，可以得到球形机器人（6）在坐标系Oxy下的坐标为：

，其中a、b、c分别为球形机器人（6）距3个相邻UWB基站的距离，p为所形成三角形周长的一半，w、h为三角形的宽与高；四、将UWB定位算法模块计算所得结果与WIFI强度指纹匹配定位模块相结合，优劣势互补，在非视距情况下，使用WIFI强度指纹匹配定位模块，在视距情况下，程序将切换到UWB定位算法。

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