CN112969137A - 一种基于ur机器人的uwb基站坐标自动标定方法 - Google Patents

一种基于ur机器人的uwb基站坐标自动标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法，包括：1，构建UWB基站坐标自动标定系统；2，将所得到的定位标签坐标值和各基站到定位标签的距离值数据集中发送至电脑端；3，初步估计定位基站基于UR机器人坐标系的坐标；4，利用坐标系转换原理，求出UWB定位系统基站的坐标值。本发明通过UR机器人进行基站坐标标定能降低手动标定基站带来的误差，且避免了基站标定中操作繁琐的问题，从而可以提高UWB定位系统的准确性。

Description

一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法
技术领域
本发明属于无线定位领域，具体的说是一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法。
背景技术
目前已有的室内定位技术主要依赖于无线定位技术，常见的主要是蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、超声波、红外线以及超宽带UWB等室内定位技术。其中UWB定位技术是上诉无线定位技术中综合性最好的一种，具有定位精度高、抗干扰能力强及优良的抗多径效应等特点。UWB在进行定位之前，定位系统坐标系的建立和定位基站在坐标系中的精确坐标标定是UWB定位技术能否精确定位的前提。现有的技术中，UWB定位系统通常采用人工手动测量标定定位系统中的基站坐标的方法。然而人工标定的方法不仅繁琐，而且标定结果不准确，严重影响UWB定位系统的精度。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法，以期能提高基站坐标标定的精度，避免定位基站标定过程中步骤繁琐问题，从而能提高UWB定位系统定位的准确性。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、构建UWB基站坐标自动标定系统：
步骤1.1、在UWB定位区域内，任意选择三个位置作为三个定位基站的摆放点，并使得三个定位基站处于同一水平面；
步骤1.2、将UR机器人放置在三个定位基站之间的区域内；将定位标签T放置在UR机器人的机械臂上，并使得三个定位基站和定位标签T处在同一水平面；由所述定位标签T和三个定位基站构成UWB定位系统；
步骤1.3、UR机器人驱动机械臂携带所述定位标签T在三个定位基站所处的水平面内做有规律地平面运动；
步骤2、数据发送和接受：
步骤2.1、UR机器人记录不同时刻所述定位标签T在UR机器人坐标系下的坐标值；并固定采样间隔为Δt，将K个不同时刻下所述定位标签T的坐标记为T1(xt1,yt1),T2(xt2yt2),...,Tk(xtk,ytk),...,TK(xtK,ytK)并通过以太网传输到PC端，其中，Tk(xtk,ytk)表示第k个时刻所述定位标签T的坐标；
步骤2.2、当UWB定位系统进行通讯测距时，选择任意一个定位基站作为主基站base，其他基站依次为第一次基站sub1，第二次基站sub2；固定采样间隔Δt，将K个不同时刻下各个基站与所述定位标签T的测距值发送至主基站上，由所述主基站统一通过数据线传输到PC端；
步骤3、初步估计定位基站的坐标：
步骤3.1、利用式(1)计算圆周定位模型：
Figure BDA0002929944880000021
式(1)中，xtk和ytk表示所述定位标签T在第k个时刻Tk的横、纵坐标值；xi和yi表示任意第i个定位基站的横、纵坐标值；ditk表示所述定位标签T在第k个时刻定位标签T与第i个定位基站的距离值；base表示主基站，sub1表示第一次基站1，sub2表示第一次基站2；
步骤3.2、分别将第k时刻定位标签T的坐标值以及第k时刻第i个定位基站与定位标签T的距离值带入式(1)中并联立方程组；
步骤3.3、使用最小二乘法公式计算方程组的最优解，得到UR机器人坐标系下第i个定位基站的坐标(xi,yi)；
步骤4、UWB定位系统基站标定；
步骤4.1、计算坐标系变换矩阵；
将UR机器人的坐标系设为ω坐标系，将UWB定位系统的坐标系设为b坐标系；UWB定位系统的b坐标系以主基站为原点，其x轴和y轴分别与UR机器人的w坐标系的x轴和y轴平行同向；
利用式(3)得到ω坐标系变换到b坐标系时的变换矩阵
Figure BDA0002929944880000022
Figure BDA0002929944880000023
式(3)中，R表示旋转矩阵，t表示平移向量，xbase,ybase表示主基站的横、纵坐标值；
步骤4.2、求解坐标系转换后的定位基站的坐标；
利用式(4)得到UWB定位系统的b坐标系下主基站的坐标baseb(x1,y1)：
Figure BDA0002929944880000024
式(3)中，
Figure BDA0002929944880000031
表示对变换矩阵
Figure BDA0002929944880000032
取逆；
利用式(4)得到UWB定位系统的b坐标系下第一次基站sub1的坐标sub1b(x2,y2)：
Figure BDA0002929944880000033
利用式(5)得到UWB定位系统的b坐标系下第二次基站sub2的坐标sub2b(x2,y2)：
Figure BDA0002929944880000034
式(5)中，
Figure BDA0002929944880000035
表示对变换矩阵
Figure BDA0002929944880000036
取逆；从而得到所述UWB定位系统下的三个定位基站的坐标分别为主基站baseb(0,0)，第一次次基站sub1b(xsub1-xbase,ysub1-ybase)，第二次基站sub2b(xsub2-xbase,ysub2-ybase)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明利用UR机器人及相应的算法即可以实现UWB定位基站的标定。在有效避免手工标定繁琐步骤的同时，也提高了基站标定结果的准确性，对UWB定位系统整体而言，提高了定位精度。
2、本发明利用UR机器人坐标系精度达到毫米级别这一优点，通过最小二乘法计算定位基站基于UR机器人坐标系下的坐标，使得基站坐标结果准确，避免了手动测量带来的误差。
3、本发明利用的是UR机器人坐标系与定位系统的坐标系转换原理，不需要为了确定坐标系而刻意的摆放基站的位置，避免了操作繁琐的问题。
附图说明
图1为本发明UWB定位系统的位置摆放图；
图2为本发明UR机器人携带定位的运动轨迹位置图；
图3为本发明数据集中传输到PC端进行处理的流程图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法，是利用UR机器人坐标系构建UWB基站坐标自动标定系统；将所得到的定位标签坐标值和各基站到定位标签的距离值数据集中发送至电脑端；初步估计定位基站基于UR机器人坐标系的坐标；利用坐标系转换原理，计算求出UWB定位系统基站的坐标值。具体的说是按如下步骤进行：
步骤1、构建UWB基站坐标自动标定系统：
步骤1.1、在UWB定位区域内，任意选择三个位置作为三个定位基站的摆放点，并使得三个定位基站处于同一水平面；
步骤1.2、将UR机器人放置在三个定位基站之间的区域内；将定位标签T放置在UR机器人的机械臂上，并使得三个定位基站和定位标签T处在同一水平面；由定位标签T和三个定位基站构成UWB定位系统；
如图1所示，base、sub1、sub2分别为主基站、第二次基站和第二次基站的摆放位置；T为UR机器人携带的标签位置。
步骤1.3、UR机器人驱动机械臂携带定位标签T在三个定位基站所处的水平面内做有规律地平面运动；
如图2所示，虚线为UR机器人有规律的运动轨迹；T1、T2、T3,...,Tk,...,TK，其中，Tk为第k时刻UR机器人运动时定位标签的位置；d表示基站与定位标签的距离值。
步骤2、数据发送和接受：
步骤2.1、UR机器人记录不同时刻定位标签T在UR机器人坐标系下的坐标值；并固定采样间隔为Δt，将K个不同时刻下定位标签T的坐标记为T1(xt1,yt1),T2(xt2 yt2),...,Tk(xtk,ytk),...,TK(xtK,ytK)并通过以太网传输到PC端，其中，Tk(xtk,ytk)表示第k个时刻定位标签T的坐标；
步骤2.2、当UWB定位系统进行通讯测距时，选择任意一个定位基站作为主基站base，其他基站依次为第一次基站sub1，第二次基站sub2；固定采样间隔Δt，将K个不同时刻下各个基站与定位标签T的测距值发送至主基站上，由主基站统一通过数据线传输到PC端；
如图3所示，将上述UR机器人得到的定位标签坐标值和UWB定位系统主基站得到不同基站距离值集中传输到PC端进行处理的流程图。
步骤3、初步估计定位基站的坐标：
步骤3.1、利用式(1)计算圆周定位模型：
Figure BDA0002929944880000041
式(1)中，xtk和ytk表示定位标签T在第k个时刻Tk的横、纵坐标值；xi和yi表示任意第i个定位基站的横、纵坐标值；ditk表示定位标签T在第k个时刻定位标签T与第i个定位基站的距离值；base表示主基站，sub1表示第一次基站1，sub2表示第一次基站2；
步骤3.2、分别将第k时刻定位标签T的坐标值以及第k时刻第i个定位基站与定位标签T的距离值带入式(1)中并联立方程组；
步骤3.3、使用最小二乘法公式计算方程组的最优解，得到UR机器人坐标系下第i个定位基站的坐标(xi,yi)；
以先求基站base的坐标为例：将不同时刻的标签坐标Tk(xtk,ytk)，以及不同时刻主基站基站与标签的距离ditk带入式(1)得：
Figure BDA0002929944880000051
将以上方程组消元，易得2元的K-1次线性方程组：
Figure BDA0002929944880000052
式(3)中，zk 2表示定位标签到原点距离的平方值，且
Figure BDA0002929944880000053
将式(3)带入最小二乘法估计公式:β＝(ATA)-1ATY，可以求出最优解为：
Figure BDA0002929944880000054
式(4)中，A表示扰动矩阵，且
Figure BDA0002929944880000061
则主基站的坐标为base(xbase,ybase)；
同理按步骤3.2、步骤3.3可以求出第一次基站的坐标为sub1(xsub1,ysub1),第二次基站的坐标为sub2(xsub2,ysub2)；
步骤4、UWB定位系统基站标定；
步骤4.1、计算坐标系变换矩阵；
将UR机器人的坐标系设为ω坐标系，将UWB定位系统的坐标系设为b坐标系；UWB定位系统的b坐标系以主基站为原点，其x轴和y轴分别与UR机器人的w坐标系的x轴和y轴平行同向；
利用式(5)得到ω坐标系变换到b坐标系时的变换矩阵
Figure BDA0002929944880000062
Figure BDA0002929944880000063
式(5)中，R表示旋转矩阵，t表示平移向量，xbase,ybase表示主基站的横、纵坐标值；
步骤4.2、求解坐标系转换后的定位基站的坐标；
利用式(6)得到UWB定位系统的b坐标系下主基站的坐标baseb(x1,y1)：
Figure BDA0002929944880000064
式(6)中，
Figure BDA0002929944880000065
表示对变换矩阵
Figure BDA0002929944880000066
取逆；
利用式(7)得到UWB定位系统的b坐标系下第一次基站sub1的坐标sub1b(x2,y2)：
Figure BDA0002929944880000067
利用式(8)得到UWB定位系统的b坐标系下第二次基站sub2的坐标sub2b(x2,y2)：
Figure BDA0002929944880000071
式(8)中，
Figure BDA0002929944880000072
表示对变换矩阵
Figure BDA0002929944880000073
取逆；从而得到UWB定位系统下的三个定位基站的坐标分别为主基站baseb(0,0)，第一次次基站sub1b(xsub1-xbase,ysub1-ybase)，第二次基站sub2b(xsub2-xbase,ysub2-ybase)。

Claims (1)

1.一种基于UR机器人的UWB基站坐标自动标定方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、构建UWB基站坐标自动标定系统：
步骤1.1、在UWB定位区域内，任意选择三个位置作为三个定位基站的摆放点，并使得三个定位基站处于同一水平面；
步骤1.2、将UR机器人放置在三个定位基站之间的区域内；将定位标签T放置在UR机器人的机械臂上，并使得三个定位基站和定位标签T处在同一水平面；由所述定位标签T和三个定位基站构成UWB定位系统；
步骤1.3、UR机器人驱动机械臂携带所述定位标签T在三个定位基站所处的水平面内做有规律地平面运动；
步骤2、数据发送和接受：
步骤2.1、UR机器人记录不同时刻所述定位标签T在UR机器人坐标系下的坐标值；并固定采样间隔为Δt，将K个不同时刻下所述定位标签T的坐标记为T1(xt1,yt1),T2(xt2yt2),...,Tk(xtk,ytk),...,TK(xtK,ytK)并通过以太网传输到PC端，其中，Tk(xtk,ytk)表示第k个时刻所述定位标签T的坐标；
步骤2.2、当UWB定位系统进行通讯测距时，选择任意一个定位基站作为主基站base，其他基站依次为第一次基站sub1，第二次基站sub2；固定采样间隔Δt，将K个不同时刻下各个基站与所述定位标签T的测距值发送至主基站上，由所述主基站统一通过数据线传输到PC端；
步骤3、初步估计定位基站的坐标：
步骤3.1、利用式(1)计算圆周定位模型：
Figure FDA0002929944870000011
式(1)中，xtk和ytk表示所述定位标签T在第k个时刻Tk的横、纵坐标值；xi和yi表示任意第i个定位基站的横、纵坐标值；ditk表示所述定位标签T在第k个时刻定位标签T与第i个定位基站的距离值；base表示主基站，sub1表示第一次基站1，sub2表示第一次基站2；
步骤3.2、分别将第k时刻定位标签T的坐标值以及第k时刻第i个定位基站与定位标签T的距离值带入式(1)中并联立方程组；
步骤3.3、使用最小二乘法公式计算方程组的最优解，得到UR机器人坐标系下第i个定位基站的坐标(xi,yi)；
步骤4、UWB定位系统基站标定；
步骤4.1、计算坐标系变换矩阵；
将UR机器人的坐标系设为ω坐标系，将UWB定位系统的坐标系设为b坐标系；UWB定位系统的b坐标系以主基站为原点，其x轴和y轴分别与UR机器人的w坐标系的x轴和y轴平行同向；
利用式(2)得到ω坐标系变换到b坐标系的变换矩阵
Figure FDA0002929944870000021
Figure FDA0002929944870000022
式(2)中，R表示旋转矩阵，t表示平移向量，xbase,ybase表示主基站的横、纵坐标值；
步骤4.2、求解坐标系转换后的定位基站的坐标；
利用式(3)得到UWB定位系统的b坐标系下主基站的坐标baseb(x1,y1)：
Figure FDA0002929944870000023
式(3)中，
Figure FDA0002929944870000024
表示对变换矩阵
Figure FDA0002929944870000025
取逆；
利用式(4)得到UWB定位系统的b坐标系下第一次基站sub1的坐标sub1b(x2,y2)：
Figure FDA0002929944870000026
利用式(5)得到UWB定位系统的b坐标系下第二次基站sub2的坐标sub2b(x2,y2)：
Figure FDA0002929944870000027
式(5)中，
Figure FDA0002929944870000028
表示对变换矩阵
Figure FDA0002929944870000029
取逆；从而得到所述UWB定位系统下的三个定位基站的坐标分别为主基站baseb(0,0)，第一次基站sub1b(xsub1-xbase,ysub1-ybase)，第二次基站sub2b(xsub2-xbase,ysub2-ybase)。
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