CN212887622U - 一种基于uwb的室内定位导航巡检机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，包括通过WIFI技术进行通讯的巡检机器人和上位机，其中：巡检机器人包括运动控制系统、环境检测系统和UWB定位系统，运动控制系统包括MCU主控模块、电机驱动模块、避障模块、循迹导航模块和第一WIFI模块，环境检测系统、UWB定位系统和运动控制系统中其他模块均与MCU主控模块连接；上位机包括第二WIFI模块、按键模块和显示屏，第二WIFI模块、按键模块和显示屏两两连接。本实用新型中不需要保持时间同步，同时将UWB定位和循迹导航相结合，既能够实现巡检机器人的定位、导航和信息采集功能，又具有结构简单、稳定性高、成本低、定位精度高的优点。

Description

一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统

技术领域

本实用新型属于智能控制技术领域，特别涉及一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统。

背景技术

随着自动控制、精密机械、互联网、物联网等新型信息技术的涌现和迅速发展，智能机器人技术已成为世界科学技术发展的热点。而伴随着国民经济的高速增长，机场、车站、超级商场、大型仓储、危化企业及智慧工厂等场所的数量和规模不断扩大，人、物流庞杂，相应的易燃易爆品等各种危险物质越来越多，因此安保自动化需求日益迫切。

然而目前的安防系统仍然受限于人工巡逻和定点监控设备的“人防+物防”模式，这样会出现人力资源浪费以及盲区问题，在夜间或恶劣天气状况下，问题频出，巡逻安全难以保障。显然这种固定的监测方式已不能满足智能化时代的需求，因此要与具有自主环境感知、监测报警、行为控制、路径规划、动态决策等能力的智能巡逻机器人相结合，实行“机器人防+人防”模式，进行不间断定时定点的巡逻与监控。

现有定位技术有GPS、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、WIFI技术等，其中，GPS是目前应用最广泛的定位技术，但当进入室内环境中，GPS信号会大幅降低而无法满足室内定位精度的要求；蓝牙和射频识别技术虽然受环境干扰小，但是通信范围太小；红外线技术的功耗太大，在复杂室内环境中精度也会有较大下降；WIFI技术普及度已经很广，铺设成本低，但是只适合小范围的室内环境，且容易受其他信号的干扰；而UWB技术采用超窄脉冲进行通信，具有时间分辨率高，穿透能力强等特点，且受其他信号干扰小，在室内环境下的定位精度可达厘米级。

实用新型内容

技术目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型公开了一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，既能够实现巡检机器人的定位、导航和信息采集功能，又具有结构简单、稳定性高、成本低、定位精度高的优点。

技术方案：本实用新型采用如下技术方案：一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，包括通过WIFI技术进行通讯的巡检机器人和上位机，其中：

巡检机器人包括运动控制系统、环境检测系统和UWB定位系统，运动控制系统包括MCU主控模块、电机驱动模块、避障模块、循迹导航模块和第一WIFI模块，环境检测系统、UWB定位系统、避障模块和循迹导航模块的输出端分别连接MCU主控模块的输入端，电机驱动模块的输入端连接MCU主控模块的输出端，第一WIFI模块与MCU主控模块双向连接；

上位机包括第二WIFI模块、按键模块和显示屏，按键模块的输出端分别连接第二WIFI模块和显示屏的输入端，显示屏的输入端还连接第二WIFI模块的输出端，上位机通过第二WIFI模块、第一WIFI模块与巡检机器人实现双向通讯连接。

优选地，电机驱动模块包括电机控制器、左轮电机和右轮电机，电机控制器的输入端与MCU主控模块的输出端连接，左轮电机和右轮电机的输入端分别与电机控制器的输出端连接；

电机驱动模块采用的型号为L298N。

优选地，避障模块包括超声波测距模块，超声波测距模块的输出端与MCU主控模块的输入端连接；

超声波测距模块采用的型号为HC-SR04。

优选地，循迹导航模块包括安装在巡检机器人底部的磁导航传感器和铺设在地面上的磁条轨迹，磁导航传感器的输出端与MCU主控模块的输入端连接。

优选地，环境检测系统包括温湿度数据采集模块、PM2.5浓度采集模块和烟雾浓度采集模块，温湿度数据采集模块、PM2.5浓度采集模块和烟雾浓度采集模块的输出端分别与MCU主控模块的输入端连接；

温湿度数据采集模块采用的传感器型号为数字温湿度传感器SHT20P，PM2.5浓度采集模块采用的传感器型号为DSL-03激光数字式传感器，烟雾浓度采集模块采用的传感器型号为MQ-2气体传感器。

优选地，UWB定位系统包括安装在室内固定位置的UWB基站和安装在巡检机器人外表面的UWB标签，UWB基站和UWB标签之间通过超宽带信号进行数据传输，UWB基站与MCU主控模块的输入端通过串口总线进行连接；

UWB基站和UWB标签均采用芯片DWM1000。

优选地，UWB基站至少有两个，且均设置在处于同一水平面上的室内墙壁上。

优选地，巡检机器人还包括报警模块，报警模块中包括蜂鸣器和LED灯，报警模块的输入端与MCU主控模块的输出端连接。

优选地，MCU主控模块采用单片机，单片机型号为STM32F103。

有益效果：本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型既能够实现巡检机器人的定位、导航和信息采集功能，又具有结构简单、稳定性高、成本低、定位精度高的优点；

2、本实用新型中UWB标签和UWB基站的时间不需要保持同步，只需保持各个基站之间的时间同步即可，减少了系统的复杂性；

3、本实用新型将UWB定位系统和循迹导航模块结合，通过加权平均融合算法得出巡检机器人的精确位置信息，提高了系统的定位精度。

附图说明

图1为本实用新型的模块示意图；

图2为本实用新型的模块连接示意图；

图3为本实用新型中巡检机器人的结构示意图；

图4为本实用新型中上位机的结构示意图；

图5为本实用新型中MCU主控模块的电路图；

图6为本实用新型中电机驱动模块的电路图；

图7为本实用新型中磁导航传感器的接口电路；

图8为本实用新型中UWB基站和UWB标签的电路设计图；

其中，巡检机器人1，上位机2，运动控制系统3，环境检测系统4，UWB定位系统5，报警模块6，第二WIFI模块7，按键模块8，显示屏9，MCU主控模块10，电机驱动模块11，避障模块12，循迹导航模块13，第一WIFI模块14，温湿度数据采集模块15、PM2.5浓度采集模块16，烟雾浓度采集模块17，UWB基站18，UWB标签19，电机控制器20，左轮电机21，右轮电机22，超声波测距模块23，磁导航传感器24。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

本实用新型公开了一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，可以应用于大型仓库、制造工厂、变电站等场景，既能够实现巡检机器人的定位、导航和信息采集功能，又具有结构简单、稳定性高、成本低、定位精度高的优点。

如图1所示，一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，包括巡检机器人1和上位机2，巡检机器人1与上位机2通过WIFI技术进行通讯。

如图3所示，巡检机器人1包括运动控制系统3、环境检测系统4和UWB定位系统5，环境检测系统4和UWB定位系统5分别与运动控制系统3连接，其中：运动控制系统3包括MCU主控模块10、电机驱动模块11、避障模块12、循迹导航模块13和第一WIFI模块14，其中，环境检测系统4、UWB定位系统5、避障模块12和循迹导航模块13的输出端分别连接MCU主控模块10的输入端，电机驱动模块11的输入端连接MCU主控模块10的输出端，第一WIFI模块14与MCU主控模块10双向连接。

MCU主控模块10采用单片机，单片机采用的型号为STM32F103，电路图如图5所示；第一WIFI模块14通过串口总线与MCU主控模块10连接。

电机驱动模块11采用的型号为L298N，电路图如图6所示，为双驱动模块，可同时驱动两个电机转动。电机驱动模块11包括电机控制器20、左轮电机21和右轮电机22，电机控制器20的输入端通过I2C总线与MCU主控模块10的输出端连接，左轮电机21和右轮电机22的输入端分别与电机控制器20的输出端连接。

避障模块12包括超声波测距模块23，超声波测距模块23采用的型号为HC-SR04，超声波测距模块23的输出端通过I2C总线与MCU主控模块10的输入端连接，超声波测距模块23将巡检机器人1与障碍物的距离测量值传送至MCU主控模块10，在MCU主控模块10中将距离测量值与上位机2中输入的距离警戒值作对比，当距离测量值低于距离警戒值时，巡检机器人1中的报警模块6发出报警信号，完成避障，报警模块6的输入端通过I2C总线与MCU主控模块10的输出端连接，报警模块6中包括蜂鸣器和LED灯。

循迹导航模块13包括磁导航传感器24，磁导航传感器24的接口电路如图7所示，磁导航传感器24的输出端与MCU主控模块10的输入端连接。在巡检机器人1的运动区域内预先铺设磁条轨迹，磁导航传感器24安装在巡检机器人1的底部，当巡检机器人1在磁条轨迹上运动时，磁导航传感器24会把探测到的磁带强度转换成电信号，传送给MCU主控模块10，MCU主控模块10会判断巡检机器人1是否偏离预设的运行轨道，以及此时巡检机器人1在磁条轨迹上的位置，若发现当前巡检机器人1位置与预设的运行轨道位置偏差较大，则巡检机器人1通过MCU主控模块10控制电机控制器20，进行左右转向自动调整运行方向，使得巡检机器人1能够正常自动循迹导航；同时MCU主控模块10根据由UWB定位系统5及定位算法得出的巡检机器人1的位置坐标和由磁导航传感器24得出的巡检机器人1的轨迹位置信息，通过加权平均融合算法得出巡检机器人1的精确位置信息，将此精确位置信息与上位机2中的目标位置信息进行比较，若位置偏差较大，则MCU主控模块10将控制信息传送至电机控制器20，从而驱动左轮电机21和右轮电机22的运动路径，使得巡检机器人1循迹到达目标位置。

环境检测系统4包括温湿度数据采集模块15、PM2.5浓度采集模块16和烟雾浓度采集模块17，其中，温湿度数据采集模块15、PM2.5浓度采集模块16和烟雾浓度采集模块17的输出端分别与MCU主控模块10的输入端连接，温湿度传感器、PM2.5浓度传感器和烟雾浓度传感器将采集到的数据输入MCU主控模块10后，MCU主控模块10再将数据通过第一WIFI模块14传送至上位机2中，并在上位机2中进行实时监视。温湿度数据采集模块15采用的传感器型号为数字温湿度传感器SHT20P，PM2.5浓度采集模块16采用的传感器型号为DSL-03激光数字式传感器，烟雾浓度采集模块17采用的传感器型号为MQ-2气体传感器。

UWB定位系统13用于定位巡检机器人1的位置，包括UWB基站18和UWB标签19，其中，UWB基站18和UWB标签19均采用芯片DWM1000，芯片DWM1000的电路设计图如图8所示。UWB基站18和UWB标签19之间通过超宽带（UWB）信号进行数据传输，UWB基站18与MCU主控模块10的输入端通过串口总线进行连接。UWB标签19安放在巡检机器人1的外表面，UWB基站18安装在室内固定位置。本实用新型的一种实施例中包括四个UWB基站18，分别为UWB基站一、UWB基站二、UWB基站三和UWB基站四，四个UWB基站均安装在距离地面2.0米的室内墙壁上，UWB标签19发射UWB信号到UWB基站18中，四个UWB基站18保持时间同步并将接收到UWB信号的时间分别发送至MCU主控模块10，在MCU主控模块10中利用TDOA算法获得四个UWB基站18与UWB标签19间的距离差，然后通过三边定位算法获得UWB标签19的坐标，由此确定室内巡检机器人的位置。

如图4所示，上位机2包括第二WIFI模块7、按键模块8和显示屏9，按键模块8的输出端分别连接第二WIFI模块7和显示屏9的输入端，显示屏9的输入端连接第二WIFI模块7的输出端。按键模块8用于输入巡检机器人1的目标位置信息坐标和距离警戒值，目标位置信息坐标是预设的巡检机器人1到达的位置。第二WIFI模块7与上位机2中其他模块通过串口总线进行连接，第二WIFI模块7与运动控制系统3中的第一WIFI模块14通过WIFI技术进行双向通讯，上位机2通过第二WIFI模块7与第一WIFI模块14将目标位置信息坐标和距离警戒值传送至MCU主控模块10中，MCU主控模块10通过第二WIFI模块7与第一WIFI模块14将环境检测系统4中传感器采集到的数据传送至上位机2。显示屏9用于显示按键模块8输入的目标位置信息坐标和距离警戒值，以及环境检测系统4中传感器采集到的数据。

本实用新型提供的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，UWB标签发射UWB信号到UWB基站中，四个UWB基站之间保持时间同步，并将接收到UWB信号的时间发送到MCU主控模块中，在MCU主控模块中利用TDOA算法获得UWB基站与UWB标签之间的距离，然后通过三边定位算法获得UWB标签的坐标；同时在MCU主控模块中通过磁导航传感器大致得出巡检机器人在磁条轨迹上的位置信息。MCU主控模块根据UWB标签的坐标与巡检机器人在磁条轨迹上的位置信息，由加权平均融合算法估算出巡检机器人的精确位置信息，再与上位机中预设的目标位置信息坐标对比，若位置偏差较大，则MCU主控模块生成控制信息并将控制信息传送至电机控制器，从而驱动左轮电机和右轮电机的运动路径，控制巡检机器人的行动路径。实际使用时，通过第一WIFI模块和第二WIFI模块，实现巡检机器人与上位机之间的通信，从上位机可以实时监控周围环境的温湿度、PM2.5浓度及烟雾浓度等安全信息，还可以通过上位机输入目标位置信息，控制巡检机器人前往目标位置，实现对巡检机器人的简单控制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，包括通过WIFI技术进行通讯的巡检机器人（1）和上位机（2），其中：

巡检机器人（1）包括运动控制系统（3）、环境检测系统（4）和UWB定位系统（5），运动控制系统（3）包括MCU主控模块（10）、电机驱动模块（11）、避障模块（12）、循迹导航模块（13）和第一WIFI模块（14），环境检测系统（4）、UWB定位系统（5）、避障模块（12）和循迹导航模块（13）的输出端分别连接MCU主控模块（10）的输入端，电机驱动模块（11）的输入端连接MCU主控模块（10）的输出端，第一WIFI模块（14）与MCU主控模块（10）双向连接；

上位机（2）包括第二WIFI模块（7）、按键模块（8）和显示屏（9），按键模块（8）的输出端分别连接第二WIFI模块（7）和显示屏（9）的输入端，显示屏（9）的输入端还连接第二WIFI模块（7）的输出端，上位机（2）通过第二WIFI模块（7）、第一WIFI模块（14）与巡检机器人（1）实现双向通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，电机驱动模块（11）包括电机控制器（20）、左轮电机（21）和右轮电机（22），电机控制器（20）的输入端与MCU主控模块（10）的输出端连接，左轮电机（21）和右轮电机（22）的输入端分别与电机控制器（20）的输出端连接；

电机驱动模块（11）采用的型号为L298N。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，避障模块（12）包括超声波测距模块（23），超声波测距模块（23）的输出端与MCU主控模块（10）的输入端连接；

超声波测距模块（23）采用的型号为HC-SR04。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，循迹导航模块（13）包括安装在巡检机器人（1）底部的磁导航传感器（24）和铺设在地面上的磁条轨迹，磁导航传感器（24）的输出端与MCU主控模块（10）的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，环境检测系统（4）包括温湿度数据采集模块（15）、PM2.5浓度采集模块（16）和烟雾浓度采集模块（17），温湿度数据采集模块（15）、PM2.5浓度采集模块（16）和烟雾浓度采集模块（17）的输出端分别与MCU主控模块（10）的输入端连接；

温湿度数据采集模块（15）采用的传感器型号为数字温湿度传感器SHT20P，PM2.5浓度采集模块（16）采用的传感器型号为DSL-03激光数字式传感器，烟雾浓度采集模块（17）采用的传感器型号为MQ-2气体传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，UWB定位系统（5）包括安装在室内固定位置的UWB基站（18）和安装在巡检机器人（1）外表面的UWB标签（19），UWB基站（18）和UWB标签（19）之间通过超宽带信号进行数据传输，UWB基站（18）与MCU主控模块（10）的输入端通过串口总线进行连接；

UWB基站（18）和UWB标签（19）均采用芯片DWM1000。

7.根据权利要求6所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，UWB基站（18）至少有两个，且均设置在处于同一水平面上的室内墙壁上。

8.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，巡检机器人（1）还包括报警模块（6），报警模块（6）中包括蜂鸣器和LED灯，报警模块（6）的输入端与MCU主控模块（10）的输出端连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内定位导航巡检机器人系统，其特征在于，MCU主控模块（10）采用单片机，单片机型号为STM32F103。

Images