CN114166218A - 基于多定位融合的室内定位导航系统及方法 - Google Patents

基于多定位融合的室内定位导航系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多定位融合的室内定位导航系统及方法，包括超宽带模块：获得室内物体的初始定位坐标；激光雷达定位模块：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；里程计定位模块：获取里程定位信息；惯导定位模块：获取惯导定位信息；定位信息融合模块：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。本发明通过使用超宽带获得初始定位的方式，既可以得到激光雷达SLAM缺少的初始定位信息，又可以弥补超宽带定位在小场景应用中，精度不足的问题。通过结合里程计与惯导信息，可以更好地修正激光雷达SLAM定位中可能出现的坐标抖动。

Description

基于多定位融合的室内定位导航系统及方法
技术领域
本发明涉及室内定位导航领域，具体地，涉及一种基于多定位融合的室内定位导航系统及方法。
背景技术
现在用于室内的定位方式多为里程计、惯导、超宽带等单一定位的方式，也存在通过对里程计、惯导、超宽带等传感器定位信息进行融合产生一个最终的定位信息的方式。
目前的室内场景的定位融合方式，在部分传感器精度不高或者会出现跳变的情况下，依靠单一的定位方式的话，这种定位信息无法进行使用。考虑使用定位融合的话，在部分传感器定位信息可信度不高的情况下，定位信息也会受到一定程度的影响。
专利文献为CN 108981720 A的发明专利公开了一种UWB与惯导融合的室内导航系统，为解决现有室内导航系统基于未知环境进行，存在全局定位失效和绑架机器人的问题。所述UWB与惯导融合的室内导航系统，在移动机器人上设置四个UWB标签、惯导和激光雷达，在移动机器人的运行环境中布置四个UWB基站；通过UWB基站、UWB标签和移动机器人之间的几何约束关系，获取移动机器人的位姿；利用扩展卡尔曼滤波将获取的移动机器人位姿与惯导获得的位姿进行融合，获得移动机器人的全局位姿；再将全局位姿代替导航系统中利用里程计获得的位姿，与激光雷达数据进行融合定位。上述方案与本方案所述内容差别较大。首先是在实际应用中，在室内场景的小型机器人上应用UWB定位，定位误差可能会达到10cm，这个误差会导致小型机器人其他需要运用定位的功能，例如导航功能等无法正差工作。以及当机器人的里程计精度较低时，定位融合出来的结果其实也无法作为参考。
专利文献为CN106643720B的发明专利公开了一种基于UWB室内定位技术与激光雷达的地图构建方法，采用UWB和激光雷达双传感器构建地图，可以保证，在室内受到金属遮挡，导致UWB定位不准时，激光雷达的数据能让误差减小。当激光雷达的数据由于运动物体的定位精度降低时，UWB定位又可以让此误差减小。但是在成本方面三维激光雷达更高。并且因为激光雷达维数不同，所以激光雷达的定位方式也不同。
专利文献为CN111694006A的发明专利公开了一种用于室内无人系统的导航传感系统。整个系统包括主控制器、地图构建模块，定位模块、导航模块和数据存储模块,其中通过单片机控制地图构建模块，定位模块、导航模块独立工作，数据存储模块用于存储地图构建模块传来的室内地图信息和定位模块传来的无人系统的状态信息、位置信息。所述地图构建模块包括UWB、里程计和激光雷达；所述定位模块包括惯性导航系统和测距系统；所述导航模块包括摄像头和路径规划子模块。电但是上述方案无法实现初始位置定位。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多定位融合的室内定位导航系统及方法。
根据本发明提供的一种基于多定位融合的室内定位导航系统，包括如下模块：
超宽带模块：获得室内物体的初始定位坐标；
激光雷达定位模块：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；
里程计定位模块：获取里程定位信息；
惯导定位模块：获取惯导定位信息；
定位信息融合模块：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。
优选地，所述超宽带模块包括UWB标签和UWB基站，所述UWB基站至少设置有三个，UWB基站在高于场景的位置架设。
优选地，所述UWB基站在对应的使用场景的最外周以矩形或者三角形顶点的位置架设。
优选地，所述里程计定位模块包括光电编码器。
优选地，所述惯导定位模块包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于输出物体在载体坐标系统中的三个坐标轴方向上的加速度信息，陀螺仪用于输出载体相对于导航坐标系的三个坐标轴方向上的角速度信息，根据载体在三维空间中的角速度以及加速度值解算出对应的姿态。
优选地，还包括搭设在室内场景中的靶标，所述靶标能够达到激光雷达的高度需求。
优选地，定位信息融合模块中，通过卡尔曼滤波进行定位信息的融合。
根据本发明提供的一种基于多定位融合的室内定位导航方法，包括如下步骤：
超宽带定位步骤：用于获得室内物体的初始定位坐标；
激光雷达定位步骤：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；
里程计定位步骤：获取里程定位信息；
惯导定位步骤：获取惯导定位信息；
定位信息融合步骤：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过使用超宽带获得初始定位的方式，既可以得到激光雷达SLAM缺少的初始定位信息，又可以弥补超宽带定位在小场景应用中，精度不足的问题。
2、本发明通过结合里程计与惯导信息，可以更好地修正激光雷达SLAM定位中可能出现的坐标抖动，最终可以作为一种室内比较准确的定位方式。
3、本发明采用的是UWB给出初始坐标，再通过二维激光雷达SLAM的算法进行定位，采用的SLAM的算法核心是扫描匹配，对于不同时刻点云形成的地图进行匹配，位姿的运算并且在不同分辨率的地图中进行迭代处理。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于多定位融合的室内定位导航系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于多定位融合的室内定位导航系统及方法，本发明为了在室内场景获得比较准确的定位信息，需要采用更加准确的定位方式。在室内特征物比较丰富的情况下，所以利用激光雷达定位与建图(SLAM)、里程计、惯导、超宽带多种定位方式进行融合定位。在部分传感器精度无法完成任务时，可以通过关闭或者降低权值的办法来使融合后的信息更加准确。
进一步说明，本发明包括超宽带模块：获得室内物体的初始定位坐标；激光雷达定位模块：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；里程计定位模块：获取里程定位信息；惯导定位模块：获取惯导定位信息；定位信息融合模块：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。
所述超宽带模块包括UWB标签和UWB基站，所述UWB基站至少设置有三个，UWB基站在高于场景的位置架设。所述UWB基站在对应的使用场景的最外周以矩形或者三角形顶点的位置架设。所述里程计定位模块包括光电编码器。所述惯导定位模块包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于输出物体在载体坐标系统中的三个坐标轴方向上的加速度信息，陀螺仪用于输出载体相对于导航坐标系的三个坐标轴方向上的角速度信息，根据载体在三维空间中的角速度以及加速度值解算出对应的姿态。还包括搭设在室内场景中的靶标，所述靶标能够达到激光雷达的高度需求。定位信息融合模块中，通过卡尔曼滤波进行定位信息的融合。
本发明还提供的一种基于多定位融合的室内定位导航方法，包括超宽带定位步骤：用于获得室内物体的初始定位坐标；激光雷达定位步骤：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；里程计定位步骤：获取里程定位信息；惯导定位步骤：获取惯导定位信息；定位信息融合步骤：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。
里程计的航迹推算定位方法主要基于光电编码器在采样周期内脉冲的变化量计算出车轮相对于地面移动的距离和方向角的变化量，从而推算出移动机器人位姿的相对变化。假设一个机器人在其轮子或腿关节处配备有光电编码器等设备，当它向前移动一段时间后，想要知道大致的移动距离，测量光电编码器脉冲数目，可以得出轮子旋转的圈数，如果知道了轮子的周长，便可以计算出机器人移动的距离。同样里程计航迹推算定位方法也是存在累积误差，不适合机器人长距离内的定位。
IMU惯性传感器内部一般含有三轴的加速度计和三轴的陀螺仪。其中，加速度计用于输出物体在载体坐标系统中的三个坐标轴方向上的加速度信息，而陀螺仪用于输出载体相对于导航坐标系的三个坐标轴方向上的角速度信息，根据载体在三维空间中的角速度以及加速度值解算出对应的姿态。基于惯性传感器的定位方法主要优点是不依赖外部条件就可实现移动机器人定位，短时精度比较好。缺点就是随着时间的增长会有飘移，比较小的常数误差被积分后都会无限变大。可见基于惯性传感器的航迹推算方法不能满足移动机器人长距离精确定位要求。
超宽带(UWB)定位系统的搭建，需要在对应的使用场景的最外周以矩形或者三角形顶点的位置架设高于场景的UWB基站，再在使用的机器人或者小车上放置UWB标签，从而满足UWB正常工作的场景。对于激光雷达的使用需要在使用场景中搭设满足激光雷达高度需求的靶标来使激光雷达可以正常工作形成点云信息。在对多传感器定位信息的进行融合的时候，需要根据全局坐标系对各传感器的坐标系进行校准统一，从而使每个传感器信息准确有效。
本发明提供的方法以激光雷达SLAM作为主要的定位手段，通过超宽带的提供的位置对激光雷达定位的原点进行修正，在过程中结合里程计和惯导等传感器信息通过卡尔曼滤波进行定位信息的融合。通过超宽带(UWB)获得一个定位坐标，使用此坐标在作为初始坐标。将初始坐标作为原点进行激光雷达SLAM定位。在激光雷达SLAM定位的过程中，结合里程计和惯导信息，通过卡尔曼滤波进行定位信息融合。在卡尔曼滤波中，每种定位信息都需要给定一个协方差矩阵来作为该定位信息置信度相关的参数。通过调整不同协方差矩阵中的参数来改变定位信息在最终融合结果中的权重。当某种传感器的定位信息受到干扰或者暂时无法作为参考时，也可以通过调整协方差矩阵来减小这种定位信息带来的影响。当里程计和惯导的定位信息精度较小，有多次跳变的情况下，可以将其关闭，算法依然可以继续运行。也可以替换为其他传感器的定位信息，比如通过视觉传感器获得的信息进行视觉SLAM得到的定位信息或者二维码定位得到的定位信息进行信息融合。
本发明正是因为UWB和里程计等定位精度不高，采用了激光雷达SLAM来作为主要的更加精确的定位方式，但是激光雷达SLAM的定位存在的不足就是它无法获得机器人初始的全局位姿，所以可以利用UWB来提供一个初始全局位姿对激光雷达SLAM的定位进行补足。同时在激光雷达SLAM中可以结合其他传感器的定位信息进行融合，来更好地减小激光雷达SLAM可能产生的跳变问题。在融合过程中可以通过调整协方差方程来让激光雷达SLAM的定位作为主要定位，其他传感器信息进行辅助。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，包括如下模块：
超宽带模块：获得室内物体的初始定位坐标；
激光雷达定位模块：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；
里程计定位模块：获取里程定位信息；
惯导定位模块：获取惯导定位信息；
定位信息融合模块：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。
2.根据权利要求1所述的基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，所述超宽带模块包括UWB标签和UWB基站，所述UWB基站至少设置有三个，UWB基站在高于场景的位置架设。
3.根据权利要求2所述的基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，所述UWB基站在对应的使用场景的最外周以矩形或者三角形顶点的位置架设。
4.根据权利要求1所述的基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，所述里程计定位模块包括光电编码器。
5.根据权利要求1所述的基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，所述惯导定位模块包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于输出物体在载体坐标系统中的三个坐标轴方向上的加速度信息，陀螺仪用于输出载体相对于导航坐标系的三个坐标轴方向上的角速度信息，根据载体在三维空间中的角速度以及加速度值解算出对应的姿态。
6.根据权利要求1所述的基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，还包括搭设在室内场景中的靶标，所述靶标能够达到激光雷达的高度需求。
7.根据权利要求1所述的基于多定位融合的室内定位导航系统，其特征在于，定位信息融合模块中，通过卡尔曼滤波进行定位信息的融合。
8.一种基于多定位融合的室内定位导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
超宽带定位步骤：用于获得室内物体的初始定位坐标；
激光雷达定位步骤：基于超宽带模块提供的初始定位坐标为原点进行激光雷达SLAM定位，获取激光雷达SLAM定位信息；
里程计定位步骤：获取里程定位信息；
惯导定位步骤：获取惯导定位信息；
定位信息融合步骤：对激光雷达SLAM定位信息、里程定位信息、惯导定位信息进行融合。
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