[發明專利]一種結合IMU與單組UWB的旋轉式目標定位方法

有效

• 申請號: 202110706410.8
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113640738B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 劉冉;鄧忠元;張華;肖宇峰;陳凱翔;曹志強;秦正泓;張靜;劉滿祿
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;G01C21/16
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 代維凡

本發明公開了一種結合IMU與單組UWB的旋轉式目標定位方法，采用旋轉臂的結構，使一個UWB基站通過旋轉的方式獲得多組UWB基站的坐標信息，解決現有多UWB基站定位方法和定位環境部署困難、適用性差的問題；通過互補濾波的IMU角度估計算法削減三軸陀螺儀自身的累計誤差，彌補三軸磁力計動態性能差的缺點；通過滑動窗口結合非線性優化算法獲得精確的目標位置信息，解決了傳統UWB定位需要多個UWB基站，適用性不高的問題。

技術領域

本發明屬于室內目標定位技術領域，具體涉及一種結合IMU(慣性傳感器)與單組UWB(超寬帶)的旋轉式目標定位方法。

背景技術

近年來，低成本高精度的定位解決方案已成為物聯網應用的關鍵，如智能制造和智能家居。

在物聯網和移動機器人領域中，定位一直是熱門的研究課題，它能夠為控制平臺提供實時精確的目標位置。在物聯網領域中可以利用這些位置對目標進行精準的控制，如遠程指定目標遙控、場景內目標查找等。在機器人領域中可以通過得到的位置數據進行自主導航和地圖構建。因此，目標定位在這些領域中占有重要的位置。

超寬帶定位技術，相比于其他定位方式如，WiFi、RFID等，擁有更好的定位精度，同時基于在帶寬上的優勢其具有更強抗干擾能力、更低功耗和更快的數據傳輸速度。UWB的定位精度可達分米級，適合于目標的精確定位。但是，傳統UWB定位系統常需要至少三個UWB基站和一個UWB標簽才能完成對目標的精確定位，這樣的系統結構大大增加了系統搭建的難度和適用性，很難適配一些不方便建立基站系統的場景。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的一種結合IMU與單組UWB的旋轉式目標定位方法解決了現有多基站UWB定位方法定位環境部署困難、適用性差的問題。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：一種結合IMU與單組UWB的旋轉式目標定位方法，包括以下步驟：

S1、設置旋轉臂，將IMU傳感器和UWB基站分別固定在所述旋轉臂的兩個端點處；

S2、通過IMU傳感器采集UWB基站旋轉的角速度和磁場強度，通過UWB基站采集定位目標與UWB基站之間的距離信息；

S3、基于采集的角速度和磁場強度，通過互補濾波的IMU角度估計算法，計算出多組不同時刻的UWB基站的旋轉角度；

S4、通過對UWB基站的旋轉角度進行幾何坐標變換，生成多組不同時刻不同角度的UWB基站的坐標信息；

S5、基于多組UWB基站的坐標信息和對應坐標下UWB基站采集的距離信息，通過滑動窗口結合非線性優化算法，計算出定位目標的位置，完成目標的定位。

進一步地：所述步驟S2中角速度和磁場強度的采集方法為：

以所述IMU傳感器所在的旋轉臂端點為軸心進行旋轉，通過IMU傳感器中的三軸陀螺儀和三軸磁力計分別采集UWB基站旋轉的角速度和磁場強度。

上述進一步方案的有益效果為：通過IMU傳感器采集的角速度和磁場強度，可以更加精確地計算出UWB基站的旋轉角度，減小測量誤差。

進一步地：所述步驟S2中距離信息的采集方法為：

將UWB標簽設置在定位目標上，通過UWB基站采集UWB標簽與UWB基站之間的距離信息。

上述進一步方案的有益效果為：通過UWB基站采集多組不同角度不同時刻的距離信息，將其作為滑動窗口結合非線性優化算法的輸入，以便于計算出更精確的定位信息。

進一步地：所述步驟S3中互補濾波的IMU角度估計算法具體為：