CN214081460U - 一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统 - Google Patents

Abstract

一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，包括布设在室内环境的UWB定位基站A、B、C和安装在服务机器人主体上的UWB定位标签，所述UWB定位基站A、B、C和UWB定位标签将获取的位置信息与与激光传感器获得的位置信息传递至主控制器，主控制器的的输出端分别与电机驱动模块、无线通信模块相连，所述电机驱动模块分别连接左电机和右电机，所述无线通信模块连接手机APP。本实用新型具有满足自主移动机器人实时性、鲁棒性、定位精度的特点。

Description

一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统

技术领域

本实用新型涉及无线通信、物联网室内定位技术领域，特别涉及一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统。

背景技术

随着《中国制造2025》规划纲要的提出，机器人产业已经被列为十大重点发展领域之一，服务机器人作为机器人产业的一个分支已经快速兴起并获得显著进步。基于位置的服务(Location Based Services，LBS)作为服务机器人的一个重要组成部分应用也越来越广泛，高质量的位置服务往往要依靠高精度位置信息来实现。由于传统的室外定位技术借助于全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统(BDS)在室内环境或者高层建筑密集的地区无法感测到卫星信号，已无法满足人们对定位精度的要求。因此，如何准确的获取服务机器人在建筑群内部的位置信息，已经成为实现室内位置服务的核心。目前常见的室内定位技术有：WiFi定位技术、超声波定位技术、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)定位技术、红外定位技术、蓝牙定位技术、超宽带(Ultra Wide Band，UWB)定位技术等。受限于不同传感器的自身特性，单一传感器很难满足自主移动服务机器人实时性、鲁棒性、定位精度等需求。因此现有定位技术仍然需要进一步深入改进。

实用新型内容

为了解决以上技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，具有满足自主移动机器人实时性、鲁棒性、定位精度的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，包括布设在室内环境的UWB定位基站A、B、C和安装在服务机器人主体1上的UWB定位标签3，所述UWB定位基站A、B、C和UWB定位标签3将获取的位置信息与与激光传感器2获得的位置信息传递至主控制器4，主控制器4的的输出端分别与电机驱动模块5、无线通信模块8相连，所述电机驱动模块5分别连接左电机6和右电机7，所述无线通信模块8连接手机APP10。

所述电机驱动模块5用于对左电机6和右电机7完成驱动控制。

所述服务机器人1上设置有USB接口，USB接口用于完成数据传输功能和充电功能。

所述的UWB定位子系统的标签3与基站A、B、C采用的是基于DW1000的超宽带定位模块，型号为D-DWM-PG2.5。

所述的激光传感器2为型号是RPLIDAR-A1的激光雷达，通过USB连接线与主控制器4相连。

所述的主控制器4为Raspberry Pi，型号为4B。

所述的电机驱动模块5的型号为L298N。

所述的左电机6、右电机7的型号为GJB37-520直流减速电机。

所述的无线通信模块8的型号为HC-42。

本实用新型的有益效果：

UWB定位子系统具备可扩展性，用户可根据自己的需求添加基站和标签的数量。

UWB定位子系统以A基站为主基站，B、C基站为从基站，操作命令集中在主基站上处理并发送。

LiDAR定位子系统不仅分辨率高、获取的信息量丰富、抗干扰能力强，还能够同时准确量测距离和方位角等优势。

服务机器人可通过蓝牙模块接收到手机APP发送的操作指令。

主控制器可通过蓝牙模块将机器人的位置、速度等信息上传到手机APP可视化界面显示出来。

该融合定位系统具备轨迹显示功能，用户可通过手机APP查看服务机器人的当前轨迹信息。

该融合定位系统充分利用了UWB超高的时间分辨率、良好的抗多径能力以及LiDAR在构图与定位方面主动高效精确的特点，能进一步提高在室内复杂环境下的定位精度和定位鲁棒性。

附图说明

图1为定位系统整体结构图。

图2为UWB定位系统工作原理示意图。

图3为对称双边双向(SDS-TWR)测距原理图。

图4为融合定位系统运行流程图。

图中：1-服务机器人主体、2-激光传感器、3-超宽带定位标签、4-主控制器、5-电机驱动模块、6-左电机、7-右电机、8-无线通信模块、9-供电模块、10-手机APP、A-超宽带A基站、B-超宽带B基站、C-超宽带C基站。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，该定位系统主要包括服务机器人主体1、上位机以及布设在室内环境的UWB定位基站A、B、C组成的。服务机器人主体1具体包含激光传感器2(使用的是型号为RPLIDAR-A1的激光雷达)、UWB定位标签3(型号为D-DWM-PG2.5)、主控制器4(使用的是Raspberry Pi 4B)、电机驱动模块5(型号为L298N)、左电机6(型号为GJB37-520)、右电机7(型号为GJB37-520)、无线通信模块8(使用的是HC-42蓝牙模块)、供电模块9。

其中，UWB定位标签3应与基站A、B、C布设高度保持一致，与此同时，为保持融合定位系统时间、空间统一性。应将两种传感器的时间系统与主控制器的时间系统相统一以达到时间统一；还应将UWB定位标签3与激光传感器2中心安装在同一轴线上以达到空间统一。在系统开启后，通过主控制器4开启激光传感器2和UWB定位标签3，并对UWB定位子系统的测得的距离信息进行解算，解算出机器人的初始位置坐标，利用粒子滤波算法在该位置周围初始化N个粒子，主控制器4向电机驱动模块5发送移动指令，电机驱动模块5驱动左电机6、右电机7移动，此时根据UWB定位子系统状态方程对粒子的下一状态进行预测，然后计算预测位置与激光传感器2测量的移动后位置信息之间的欧氏距离，并根据该距离对粒子权重进行重采样，保留权重大的粒子，让权重高的粒子来产生出更多的粒子。最终通过无线通信模块将最优位置信息输出到手机APP可视化界面。整个过程由供电模块9提供电源。

本实用新型将绝对定位技术UWB方法与相对定位技术LiDAR SLAM方法相融合。以满足自主移动机器人实时性、鲁棒性、定位精度等需求。

供电模块9为服务机器人1的整个装置提供电源。

所述服务机器人1上设置有USB接口，USB接口可以完成数据传输功能和充电功能。

所述的UWB定位子系统的标签3与基站A、B、C采用的是基于DW1000的超宽带定位模块，型号为D-DWM-PG2.5，该模块对于多径效应有很强的抗干扰能力，非常适合室内环境的定位应用。

所述的激光传感器2为型号是RPLIDAR-A1的激光雷达，可直接通过USB连接线将其与主控制器4相连，即插即用，无需任何编码工作。

所述的主控制器4为Raspberry Pi，型号为4B，主要用于对UWB定位子系统和激光传感器得到的位置信息进行融合处理，以及对电机驱动模块5的控制。

所述的电机驱动模块5的型号为L298N，主要用于控制电机的运行：调速、运行、停止、步进、匀速等操作。

所述的左电机6、右电机7的型号为GJB37-520直流减速电机，主要为服务机器人的移动提供动力。

所述的无线通信模块8的型号为HC-42，它是一款基于蓝牙5.0BLE的主从一体蓝牙模块。该模块主要用于实现与手机蓝牙App的通信。

所述的供电模块9为可充电的12V蓄电池，可对整个服务机器人系统进行供电，也可通过电源转换电路转出3.3V电源给处理器和其他工作模块供电。

本实用新型所述的UWB定位子系统(以二维系统下3基站1标签为例)工作原理如图2所示，该定位系统以A基站为主基站，B、C基站为从基站。主基站具有很大的可操控性，操作命令集中在主基站上处理并发送。下面结合图2图3对该过程进行详细说明：

行为Ⅰ：A基站与标签测距。其中A基站为主动端，标签为被动端。测距方法采用SDS-TWR测距方案，具体过程为：A基站向标签发送测距指令，标签收到该指令后，向A基站发送测距数据请求包1，经过信号的飞行时间以及延迟时间T_f+T_d1之后，由基站A给标签发送一个ACK信号1，同时给标签发送另一个测距请求数据包2，当标签收到ACK信号1和测距请求数据包2后，记录下从发送测距请求包1开始到此的总时间T₁，再经过延迟时间T_d2后，给A基站发送一个ACK信号2，当A基站收到ACK信号2后，记录下从发送测距请求数据包2到收到ACK信号2的总时间T₂，通过该过程计算出信号飞行时间T_f然后乘以光速，即可得标签与A基站之间的距离。

行为Ⅱ：A基站给B基站下达测距指令。其中A基站为主动端，B基站为被动端。

行为Ⅲ：B基站与标签测距。其中B基站为主动端，标签为被动端。具体过程与行为Ⅰ同理。

行为Ⅳ：B基站将测距信息返回给A基站。其中B基站为主动端，A基站为被动端。

行为Ⅴ：A基站给C基站下达测距命令。其中A基站为主动端，C基站为被动端。

行为Ⅵ：C基站与标签测距。其中C基站为主动端，标签为被动端。具体过程与行为Ⅰ同理。

行为Ⅶ：C基站将测距信息返回给A基站。其中C基站为主动端，A基站为被动端。

在测到标签到各基站的距离后，采用三边测量定位算法进行位置解算。

本实用新型的工作原理：

由于UWB定位技术在非视距环境下存在一定的误差，LiDAR SLAM技术存在累积误差和时间延迟的问题，这些都会影响服务机器人在室内环境下的定位精度和稳定性，因此通过对两种数据的融合完成优势互补，从而获得精度更高的位置信息。在利用UWB/LiDAR组合定位时，首先要对传感器设备进行预处理，即要求时间和空间系统高度统一。将两种传感器的时间系统与主控制器的时间系统相统一，以达到时间统一；将UWB和LiDAR安装在服务机器人上，使两类传感器中心在同一铅垂线，以达到空间同步。以UWB测距信息作为UWB定位子系统观测值，LiDAR位移增量和角度观测值作为LiDAR定位子系统的观测值。并将观测信息用于基于粒子滤波的多传感器融合算法中。融合定位系统运行流程图如图4所示，在完成初始化之后控制器对各传感器数据进行处理，首先利用三边测量定位算法解算出初始位置坐标，并在其周围初始化N个粒子，并对N个粒子位置信息进行预测，然后计算预测位置与LiDAR测量的位置信息之间的欧氏距离，并更新粒子权重，进行重采样，最终输出最优位置。具体实施步骤如下：

1.初始化

开启服务机器人电源，对主控制器模块4进行初始化工作，主要包括各个寄存器中状态变量和数值的初始化。

2.UWB定位标签启动

利用主控制器模块4打开UWB定位标签以及LiDAR传感器，UWB定位子系统、LiDAR定位子系统开始工作。

3.位置解算

UWB定位子系统利用SDS-TWR测距算法测量定位标签与各基站之间的距离信息，利用最小二乘拟合定位算法对初始位置进行坐标位置解算；并在该位置周围初始化N个粒子。

4.位置预测

根据UWB状态方程对N个粒子进行预测，对其位置信息进行估计。

5.更新粒子权重

计算UWB观测生成粒子位置和LiDAR测量到的服务机器人位置之间的欧氏距离，并根据该距离更新粒子权重。

6.重采样

根据更新的粒子权重，对权值较低的粒子进行重采样，不断减小累积误差。

7.输出最优位置

将UWB/LiDAR融合后的位置信息通过蓝牙模块上传到手机APP可视化界面显示出来。

Claims (9)

1.一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，包括布设在室内环境的UWB定位基站A、B、C和安装在服务机器人主体(1)上的UWB定位标签(3)，所述UWB定位基站A、B、C和UWB定位标签(3)将获取的位置信息与激光传感器(2)获得的位置信息传递至主控制器(4)，主控制器(4)的输出端分别与电机驱动模块(5)、无线通信模块(8)相连，所述电机驱动模块(5)分别连接左电机(6)和右电机(7)，所述无线通信模块(8)连接手机APP(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述电机驱动模块(5)用于对左电机(6)和右电机(7)完成驱动控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述服务机器人主体(1)上设置有USB接口，USB接口用于完成数据传输功能和充电功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述的UWB定位子系统的标签(3)与基站A、B、C采用的是基于DW1000的超宽带定位模块，型号为D-DWM-PG2.5。

5.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述的激光传感器(2)为型号是RPLIDAR-A1的激光雷达，通过USB连接线与主控制器(4) 相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述的主控制器(4)为Raspberry Pi，型号为4B。

7.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述的电机驱动模块(5)的型号为L298N。

8.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述的左电机(6)、右电机(7)的型号为GJB37-520直流减速电机。

9.根据权利要求1所述的一种基于UWB和LiDAR融合的室内服务机器人高精度定位系统，其特征在于，所述的无线通信模块(8)的型号为HC-42。

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