[發(fā)明專利]基于超聲和磁力計(jì)的機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710641542.0
• 申請(qǐng)日: 2017-07-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107314766A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李銘;李浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都楷模電子科技有限公司
• 主分類號(hào): G01C21/00
• 分類號(hào): G01C21/00;G01C21/20
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙)51220
• 代理人: 王記明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于超聲和磁力計(jì)的機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

超聲定位系統(tǒng)中比較典型的系統(tǒng)是Active Bat和Cricket系統(tǒng)。其中前者接收節(jié)點(diǎn)發(fā)射RF信號(hào)和US信號(hào)，位置固定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收RF信號(hào)和US信號(hào)；Cricket系統(tǒng)則相反，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，待定位的接收節(jié)點(diǎn)用于信號(hào)的接收，然后根據(jù)RF信號(hào)和US信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行分布式目標(biāo)定位。

Active Bat是低功耗，無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)，精度可達(dá)3cm。利用三角定位法，利用在天花板上嵌入的超聲接收器，測(cè)量TOF。

Active Bat系統(tǒng)中，中心控制主機(jī)集中控制多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，而待定的接收節(jié)點(diǎn)作為發(fā)射節(jié)點(diǎn)是不可控的，尤其是當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的情況下，必然會(huì)引起各組RF和US信號(hào)之間的串?dāng)_。從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的定位，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Cricket系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，但其信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)發(fā)射信號(hào)的方式，仍然不能有效解決信號(hào)串?dāng)_的問(wèn)題。

在洪林的碩士畢業(yè)論文《移動(dòng)機(jī)器人超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)研究》中提出了十字陣單發(fā)射多接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)依然要通過(guò)同步來(lái)解決測(cè)距問(wèn)題。

通過(guò)分析目前系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題包括：

1)系統(tǒng)定位過(guò)程中需要同步，一般采用射頻同步的方法，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度；

2)系統(tǒng)定位采用的是三角定位法，因此需要至少三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)才能完成定位，增加了系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，也就意味著成本的增加；

3)射頻同步的模式，在公共頻段，與WIFI等同頻，增加了電磁干擾，同時(shí)，系統(tǒng)也容易受到電磁干擾的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服以上技術(shù)問(wèn)題，目的在于提供基于超聲和磁力計(jì)的機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算量低，能準(zhǔn)確定位移動(dòng)物體在室內(nèi)的位置，能避免電磁干擾的系統(tǒng)及方法的目的。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

基于超聲和磁力計(jì)的機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括位于天花板上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和位于機(jī)器人上的接收節(jié)點(diǎn)，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量至少為一個(gè)，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)超聲波發(fā)射探頭組成，每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)包括至少三個(gè)超聲波接收探頭，在機(jī)器人上還設(shè)置有地磁傳感器，所述超聲波接收探頭和地磁傳感器均與接收控制系統(tǒng)連接，其中：

超聲波發(fā)射探頭：發(fā)射超聲波信號(hào)給超聲波接收探頭；

地磁傳感器：探測(cè)地磁方向信號(hào)，并將地磁方向信號(hào)傳輸給接收控制系統(tǒng)；

超聲波接收探頭：接收超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)，并將超聲波信號(hào)傳輸給接收控制系統(tǒng)；

接收控制系統(tǒng)：接收超聲波接收探頭傳輸?shù)某暡ㄐ盘?hào)和地磁傳感器傳輸?shù)牡卮欧较蛐盘?hào)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明開(kāi)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)器人的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，在天花板上均勻安裝多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只包括一個(gè)超聲波發(fā)射探頭，超聲波發(fā)射探頭和超聲波接收探頭通信并利用現(xiàn)有的列陣測(cè)向技術(shù)可得到機(jī)器人的水平角，可得到機(jī)器人在室內(nèi)的相對(duì)位置，然后再利用地磁傳感器測(cè)向可得到機(jī)器人在水平面的偏離角度，以此矯正相對(duì)位置，通過(guò)這種兩維測(cè)角陣列最終能機(jī)器人的實(shí)際位置，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，減少了系統(tǒng)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，有效降低了定位成本。并且，本發(fā)明無(wú)需發(fā)射射頻信號(hào)，有效避免了系統(tǒng)定位過(guò)程中需要同步，采用射頻同步的方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度的問(wèn)題，同時(shí)也避免了電磁干擾。本發(fā)明安裝在機(jī)器人身上的地磁傳感器為一種專用于探測(cè)地磁方向的探測(cè)器，類似指南針，可時(shí)刻測(cè)量地磁方向信號(hào)。超聲波發(fā)射探頭與發(fā)射控制系統(tǒng)連接。超聲波接收探頭與接收控制系統(tǒng)，由接收控制系統(tǒng)處理定位信息，該接收控制系統(tǒng)為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，包括與超聲波接收探頭依次連接的放大器、BPF、MCU模塊等，放大器將超聲波接收探頭傳輸?shù)某暡ㄐ盘?hào)進(jìn)行功率放大后傳輸給BPF；BPF接收放大器傳輸?shù)某暡ㄐ盘?hào)，按其所在頻率濾波后傳輸給MCU模塊進(jìn)行處理，MCU模塊將超聲波信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和回波信號(hào)處理后輸出移動(dòng)設(shè)備的定位信息。

優(yōu)選的，當(dāng)每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)由三個(gè)超聲波接收探頭組成時(shí)，三個(gè)超聲波接收探頭圍成一個(gè)三角形。進(jìn)一步的，三個(gè)超聲波接收探頭可形成任意形狀三陣元平面，三陣元平面在相同孔徑的陣列中，具有線陣有較好的定向精度；當(dāng),陣列孔徑越大，其定距精度越高。在無(wú)任何目標(biāo)位置的先驗(yàn)信息時(shí)，為避免整個(gè)平面的定位精度不會(huì)出現(xiàn)某些點(diǎn)特別大的問(wèn)題，可采用正三角陣。