CN111880543A - 一种基于uwb的室内机器人定位控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB的室内机器人定位控制系统，属于机器人应用技术领域，包括：位于同一水平面上的三个定位模块；定位模块为UWB定位基站；安装于机器人和每件物品上的定位标签；安装于机器人上的六轴姿态测量传感器；与机器人进行数据交互的控制终端，每件物品上设置有身份识别码，所述机器人上安装有扫码枪，所述机器人安装有语音播报模块和避障模块。本发明通过多个UWB定位基站对室内的物品和机器人位置进行准确定位，随后通过控制终端控制机器人到达相应物品的位置进行取放物品，一方面适用于行动不便的人群，另外一方面也避免了交叉感染，减少病毒传播的环节。
Description
技术领域
本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种基于UWB的室内机器人定位控制系统。
背景技术
近年来，随着科技的快速发展，机器人的应用领域越来越广泛，特别是在一些高危领域，比如探险、危化学品的生产线等；或者是在一些高精端的无尘工厂，机器人已经得到了广泛的应用，但是针对于一些民用领域，比如餐馆，居家等，机器人则处于起步阶段；在一些特殊情况下，比如高危传染病的病房，机器人与人类相比，无形中具有更大的优势，在传染病流行的地区，机器人的存在能够减少不必要的污染环节，为此，人们对无人餐馆的需求越来越迫切，众所周知，定位技术是机器人的核心技术之一，在野外，机器人可以利用GPS或者北斗进行定位，但是在室内，受到建筑物的遮挡，传统的定位技术很难满足室内高精度定位的需求，为此，涉及开发一种基于UWB的室内机器人定位控制系统显得是尤为重要。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种基于UWB的室内机器人定位控制系统，通过多个UWB定位基站对室内的物品和机器人位置进行准确定位，随后计算出机器人行进的路线和角度，通过控制终端控制机器人到达相应物品的位置进行取放物品。
本发明的目的是提供一种基于UWB的室内机器人定位控制系统，至少包括：
位于同一水平面上的三个定位模块；所述定位模块为UWB定位基站；
安装于机器人和每件物品上的定位标签；
安装于机器人上的六轴姿态测量传感器；
与所述机器人进行数据交互的控制终端；其中：
所述机器人行进转动的角度θ具体计算过程为：
假设三个UWB定位基站对应的点位分别为S0、S1和S2，A为初始时刻定位标签的位置，通过UVB模块的测距与定位，获取定位标签到三基站的距离，当定位标签接收到来自目标基站S0的信号，控制终端控制小车按初始方向行进一小段距离，得到实时A’的位置信息；V1为小车前进方向的向量(∣V1∣＝∣AA’∣),V2为实时位置到目标点方向的向量(∣V2∣＝∣A’B∣)，将V2平移至A’点进行分析，则在此时小车需要转向目标点的角度为向量V1与V2的夹角θ：由
得出小车需要转动的角度θ。
优选地，每件物品上设置有身份识别码，所述机器人上安装有扫码枪。
优选地，所述机器人和控制终端上均安装有通信用的Zigbee模块。
优选地，所述UWB定位基站为UWB1000定位模块。
优选地，所述六轴姿态测量传感器为JY61P姿态传感器。
优选地，所述机器人安装有语音播报模块。
优选地，所述机器人安装有避障模块。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明通过多个UWB定位基站对室内的物品和机器人位置进行准确定位，随后计算出机器人行进的路线和角度，通过控制终端控制机器人到达相应物品的位置进行取放物品，一方面适用于行动不便的人群，另外一方面也避免了交叉感染，减少病毒传播的环节；
2、本发明采用的各项技术均为较为成熟的现有技术，因此，实施采购和搭建比较方便，稳定性高。
附图说明
图1为本发明优选实施例的结构框图；
图2为本发明优选实施例的角度计算示意图；
图3为本发明优选实施例中机器人右转角度示意图；
图4为本发明优选实施例中机器人左转角度示意图；
图5为本发明优选实施例中机器人左转角度示意图；
图6为本发明优选实施例中机器人右转角度示意图；
图7为本发明优选实施例二次导航示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1和图2所示，本发明的技术方案为：
一种基于UWB的室内机器人定位控制系统，包括：
位于同一水平面上的三个定位模块；所述定位模块为UWB定位基站；
安装于机器人和每件物品上的定位标签；
安装于机器人上的六轴姿态测量传感器；
与所述机器人进行数据交互的控制终端；其中：
所述机器人行进转动的角度θ具体计算过程为：
假设三个UWB定位基站对应的点位分别为S0、S1和S2，A为初始时刻定位标签的位置，通过UVB模块的测距与定位，获取定位标签到三基站的距离，当定位标签接收到来自目标基站S0的信号，控制终端控制小车按初始方向行进一小段距离，得到实时A’的位置信息；V1为小车前进方向的向量(∣V1∣＝∣AA’∣),V2为实时位置到目标点方向的向量(∣V2∣＝∣A’B∣)，将V2平移至A’点进行分析，则在此时小车需要转向目标点的角度为向量V1与V2的夹角θ：由
得出小车需要转动的角度θ。
在测算出小车需要转动的角度后，还需要告诉小车应该左转还是右转。同样给与向量V1与V2同一起点，分情况讨论可以得出：
(1)当θ1>θ2时：
判断条件θ1-θ2-θ<0.5°时，判定此时的θ1-θ2就是小车需要转动的角度θ，此时小车应该向右转，如图3所示；θ1-θ2-θ>0.5°时，我们判定此时的θ1-θ2不是小车需要转动的角度θ，此时小车应该向左转，如图4所示。
(2)当θ2>θ1时：
判断条件θ2-θ1-θ<0.5°时，判定此时的θ2-θ1就是小车需要转动的角度θ，此时小车应该向左转如图5所示；θ2-θ1-θ>0.5°时，我们判定此时的θ2-θ1不是小车需要转动的角度θ，此时小车应该向右转，如图6所示。
请参阅图7，由于标签定位存在误差，小车旋转控制不是完全精确，因此一次结算有可能无法让小车准确的到达目的地。因此让小车返回其实际所转角度，当它与θ不一致时，我们会不断检测小车的实时位置(x1,y1)与目标点(x2,y2)之间的距离D：
当小车与目标地的最小距离小于10cm时，则让小车停止，即视为到达终点；若小车与目标地的最小距离大于10cm时，小车在停止后需要重新进行一次角度测算与角度感知的过程，获得一个新的角度
后前进，直到到达目的地附近。这大大提高了小车寻址的精度。
在本优选实施例中：UWB的室内定位功能是通过室内布置三个已知坐标的定位基站，需要定位的机器人和物品设备携带定位标签，标签按照一定的频率发射脉冲，不断和三个已知位置的基站进行测距，通过一定的精确算法定出标签的位置；测量算法为现有技术，因此此处不再赘述；
为了放置取错物品，本发明在上述优选实施例的基础上，在每件物品上设置有身份识别码，所述机器人上安装有扫码枪，上述身份识别码优选的是技术比较成熟的二维码。
由于并非所有的室内环境都覆盖了WIFI信号，蓝牙传输受限于距离且易受干扰，故在上述优选实施例的基础上，本实施例采用组网简单、传输距离较长的Zigbee模块进行无线数据传输。即所述机器人和控制终端上均安装有通信用的Zigbee模块。
Zigbee网络具有三种节点：终端节点(精简功能设备)、路由结点(全功能设备)、中心节点(网络协调器)，由三种节点组成了Zigbee网络的3种拓扑结构：星型、树形和网状网络拓扑。
(1)星型网络拓扑，由三种节点组成。网络中所有节点都与中心节点直接连接，节点间不能直接通信，只能通过中心节点来完成数据的传输。
(2)网状网络拓扑，由三种节点组成，路由节点间可以相互通信，终端节点可以与相邻的路由节点通信。
(3)树状网络拓扑，由三种节点组成，每个全功能设备(中心节点、路由节点)都可以组成一个星型网络，然后组合成整个树状网络。
在Zigbee技术中，存在三种数据传输模式：第一种是数据从设备传输到协调器；第二种是数据从协调器传输到设备上；第三种是数据传输在两个对等设备之间。在星形网络中，只有第一种和第二种这两种传输模式，因为数据交互只能在协调器和设备之间进行；而在对等网络中，设备之间可以交互数据。Zigbee的IEEE 802.15.4网络中所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术，通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。
DL-20无线串口模块为串口转2.4G无线模块，可以通过无线将两个或者多个串口连接起来。串口发入模块的数据会被模块使用无线发出，收到无线数据的模块会将这个数据使用串口发出，在两个设备上使用模块就像将这两个设备用串口连接起来一样。
DL-20模块可以配置为点对点模式和广播模式使用。点对点模式分为A端和B端，A端串口收到的数据会被B端串口发出，反之亦然。此模式下同一频道只准许两个节点相互通信，通信可保证数据丢失率为0.00％。广播模式下，一个节点的串口收到的数据会从所有距离可及、且频道相同的节点收到，并从串口发出。此模式下数据会有1％左右的误比特率，在多点同时发送数据时，误比特率会显著提高。DL-20模块配置分为5个步骤：进入设置模式、设置波特率、设置频道、设置主从机、确认设置。
通过测试，上述优选实施例中，所述UWB定位基站为UWB1000定位模块。
为了防止机器人侧翻和持物稳定，所述机器人安装有JY61P姿态传感器。
JY61P传感器模块使用BMI160芯片实现，BMI160是一款低成本的6轴传感器芯片，芯片内部由加速度计、陀螺仪、地磁场传感器、角度测量传感器四部分组成。其中，角度测量传感器包括三轴加速度、三轴角速度、三轴陀螺仪。采用标准IIC通信协议，芯片内置16bitAD转换器进行16位数据传输，以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。
使用JY61P模块输出角速度和加速度的原始数据，用算法进行姿态融合，得到角度数据，从而控制小车轮子的移动。综合利用陀螺仪和加速度计的特点，配合动态卡尔曼滤波算法进行数据融合，优势互补获得准确的姿态角度。模块姿态用四元素表示，作为系统的状态量，模块的姿态运动学方程作为滤波的状态转移方程，加速度作为滤波的观察量，利用卡尔曼滤波的计算方法迭代更新。
同时，所述机器人安装有语音播报模块。
为了防止机器人碰撞，所述机器人安装有避障模块。
所述控制终端可以是手机，也可以是其他专用的通信终端，当为手机时，需要根据机器人的型号，下载与之对应的控制APP。
本发明的工作原理为：
首先在室内建立UWB定位基站；UWB定位基站进而对室内的机器人和每件物品的位置进行实时监测；并将监测结果发送给机器人；
然后机器人和控制终端建立通信关系，通过控制终端向机器人下发取物指令；
之后机器人根据指令，到达指定物品的位置进行相应的动作；
当指令动作完成后，机器人进入待机状态，等待下一指令。
本发明通过多个UWB定位基站对室内的物品和机器人位置进行准确定位，随后通过控制终端控制机器人到达相应物品的位置进行取放物品，一方面适用于行动不便的人群，另外一方面也避免了交叉感染，减少病毒传播的环节。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，包括：
位于同一水平面上的三个定位模块；所述定位模块为UWB定位基站；
安装于机器人和每件物品上的定位标签；
安装于机器人上的六轴姿态测量传感器；
与所述机器人进行数据交互的控制终端；其中：
所述机器人行进转动的角度θ具体计算过程为：
假设三个UWB定位基站对应的点位分别为S0、S1和S2，A为初始时刻定位标签的位置，通过UVB模块的测距与定位，获取定位标签到三基站的距离，当定位标签接收到来自目标基站S0的信号，控制终端控制小车按初始方向行进一小段距离，得到实时A’的位置信息；V1为小车前进方向的向量(∣V1∣＝∣AA’∣),V2为实时位置到目标点方向的向量(∣V2∣＝∣A’B∣)，将V2平移至A’点进行分析，则在此时小车需要转向目标点的角度为向量V1与V2的夹角θ：由
得出小车需要转动的角度θ。
2.根据权利要求1所述的基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，每件物品上设置有身份识别码，所述机器人上安装有扫码枪。
3.根据权利要求1所述的基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，所述机器人和控制终端上均安装有通信用的Zigbee模块。
4.根据权利要求1所述的基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，所述UWB定位基站为UWB1000定位模块。
5.根据权利要求1所述的基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，所述六轴姿态测量传感器为JY61P姿态传感器。
6.根据权利要求1所述的基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，所述机器人安装有语音播报模块。
7.根据权利要求1所述的基于UWB的室内机器人定位控制系统，其特征在于，所述机器人安装有避障模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201103 |