[發(fā)明專利]基于UWB的室內移動機器人定位方法

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• 申請日: 2021-09-17
• 公開（公告）號: CN114019450A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設計）人: 張繼勇;舒洪睿;朱晨薇
• 申請（專利權）人: 杭州富陽富創(chuàng)大數(shù)據產業(yè)創(chuàng)新研究院有限公司
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;H04W4/02;H04W4/021;H04W4/33
• 代理公司: 杭州昱呈專利代理事務所(普通合伙) 33303
• 代理人: 雷仕榮

本發(fā)明公開了基于UWB的室內移動機器人定位方法，包括以下步驟：S10，設置基站位置；S20，定位系統(tǒng)構建；S30，測距：測量各基站與標簽之間的距離；S40，筑構卡爾曼濾波，修正測量數(shù)據；S50，定位解算，求出標簽坐標；S60，測試比較。本發(fā)明利用UWB技術，同時采用ADS?TWR測距技術保證定位系統(tǒng)的實時性和測距精度，確保移動機器人在室內能夠精準定位，自主導航，定位要求精準度高。

技術領域

本發(fā)明屬于機器人技術領域，涉及一種基于UWB的室內移動機器人定位方法。

背景技術

隨著社會經濟的進一步發(fā)展，工業(yè)自動化水平的進一步提高，服務機器人的已經深入到社會生活的各個方面，其中室內移動機器人占據了很大一部分，與相對結構化的工業(yè)場景不同，復雜的室內環(huán)境，對移動機器人的定位提出了更高的要求。如何在室內場景中靈活、準確的進行定位,是移動機器人自主導航中的最基本環(huán)節(jié)，也是其完成室內任務的關鍵問題。對定位的要求是定位精度高(亞米級精度)，實時性好。

目前室內定位技術在國內的發(fā)展呈現(xiàn)多點開花、百鳥爭鳴的態(tài)勢：紫蜂定位技術、WI-FI定位技術、藍牙定位技術、雷達定位技術、SLAM視覺定位技術和超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)技術等，其中UWB信號具有超高分辨率、抗多徑效應、穿透力強以及結構簡單的優(yōu)點，成為目前室內高精度定位的最佳技術。比較各種室內定位技術的特點，可見，UWB系統(tǒng)在體積、功耗、抗干擾、定位精度等多個方面有著得天獨厚的巨大優(yōu)勢和傲視群雄的超強競爭力。

UWB定位技術可以達到厘米級甚至更高的定位精度，完全歸功于其定位技術十分獨特的通信機制。傳統(tǒng)的載波信號調制方法被拋棄，取而代之的是采用納秒級別的窄脈沖直接發(fā)射信號，UWB系統(tǒng)這一做法造就了其頻譜范圍極其寬廣、信噪比很低的優(yōu)勢。整個UWB系統(tǒng)是一個純數(shù)字系統(tǒng)，發(fā)射機和接收機不包含傳統(tǒng)的IF和RF電路，這一特性也使得在實際情況下，UWB系統(tǒng)體積可以壓縮到很小。可見，UWB系統(tǒng)在體積、功耗、抗干擾、定位精度等多個方面有著得天獨厚的巨大優(yōu)勢和傲視群雄的超強競爭力。

UWB定位標簽是可移動的被定位目標，其向周圍發(fā)送納秒級的脈沖信號，固定安裝在周圍的UWB基站接收并測量上述脈沖信號，經過濾波、滑動相關等運算，各自計算得到脈沖信號的到達時刻等定位測量信息。

近期，國內的超寬帶定位領域，許多亮眼的公司和團隊如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)。四川成都恒高公司，上市了其研發(fā)的UWB定位系統(tǒng)、UWB定位軟件，SDK開發(fā)平臺和UWB定位基站與標簽，產品種類相當齊全豐富，其UWB定位系統(tǒng)可與視頻高度融合，實現(xiàn)實時定位。在蘋果公司最新的產品發(fā)布會上，小型外設AirTags正式在公眾面前亮相。這款外設具備UWB無線功能，可通過手機應用尋找物件；小米公司在公開的技術演示中也使用了UWB技術，主要針對的就是室內高精度定位。在智能家居的應用場景下，UWB技術能夠以手機為核心進行感知測距，是一大創(chuàng)新應用。

UWB定位技術的原理，首先要知道它的測距原理才行。UWB定位技術可采用TOF(飛行時差)測距，TOF測距方法屬于雙向測距技術，它主要利用信號在兩個收發(fā)機之間飛行時間來測量節(jié)點間的距離。模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳。模塊A的發(fā)射機在其時間戳上的a1發(fā)射請求性質的脈沖信號，模塊B在b2時刻發(fā)射一個響應性質的信號，被模塊A在自己的時間戳a2時刻接收。通過公式就可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離。UWB的室內定位原理則和衛(wèi)星原理很相似，就是通過室內布置數(shù)個已知坐標的定位基站，需要定位的人員攜帶定位標簽，標簽按照一定的頻率發(fā)射脈沖，不斷和幾個基站進行測距，通過一定的定位解算算法定出標簽的位置。但是室內的環(huán)境復雜，障礙物多，容易產生某個基站的信號完全被遮擋的非視距(NLOS)情況。目前在UWB定位系統(tǒng)中廣泛使用的定位解算算法一般有以下幾種：最小二乘法估計(LSE)、Fang算法、Chan算法、Taylor算法，LSE可以通過最小化誤差的平方和，搜尋數(shù)據的最優(yōu)函數(shù)匹配，能進一步減小NLOS造成的誤差。