[發明專利]基于UWB及激光雷達融合的室內移動機器人魯棒定位方法

在審

• 申請號: 202310388543.4
• 申請日: 2023-04-12
• 公開（公告）號: CN116295439A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 王君;侯潤森
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S17/86;G01S17/06;G01S5/02;G01S5/14;G01S7/497;G01S13/08;G01S13/86
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 王兆波

本發明公開了基于UWB及激光雷達融合的室內移動機器人魯棒定位方法，依靠3個固定在移動機器人上的UWB探測器對環境中位置信息已知的UWB錨點進行探測。UWB測距原理采用信號飛行時間法，計算得到兩模塊間的距離；設立一個距離區間，在兩個可能為真實移動機器人位置信息的點中選出真正的移動機器人位置點；采用本發明能夠達到提高定位匹配精確度，實現UWB和激光雷達的融合并優化了室內移動機器人位置的精確魯棒定位技術。該融合系統實現實時精確定位移動機器人位置信息的功能，提高了移動機器人在未知環境下的精準定位，可以精確獲得移動機器人在世界坐標系下的距離信息和角度信息。

技術領域

本發明涉及優化室內移動機器人定位領域，尤其涉及基于UWB和激光雷達融合的室內移動機器人定位方法。

背景技術

UWB是一種基于信號的定位方式，在視距(Line?of?Sight)環境下可以提供可靠的絕對定位，但也會受到室內環境復雜性的制約，在非視距環境及多路徑效應會使得定位精度下降。LiDAR?SLAM定位技術可以提供可靠的空間特性，而且其定位精度較高，但單獨使用LiDAR?SLAM定位技術存在機器人啟動點搜索定位時間長，激光點云匹配失效后無法快速重定位等問題。此外在長直隧道等環境下，激光雷達因為各處測量值相同無法確定位置，這種情況便需要結合UWB來實現同時定位和地圖構建功能。

傳統方法主要是使用UWB定位系統去消除大場景下激光SLAM的累計誤差。該些方法通過將UWB的原始測距信息帶入到代價函數中優化機器人位置，一定程度上能夠提高長距離移動的機器人定位精度。但由于UWB本身的測距精度在10-20cm，利用該測距信息優化后的移動機器人的定位誤差往往大于該誤差，導致無法滿足一些室內移動機器人的精度要求。同時大部分UWB和激光雷達融合算法是針對全部時刻進行優化，尋找最優位姿需要一定的時間，導致軌跡誤差較大，沒有加入滑動窗口的方式，只對部分較新的數據進行優化。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服當前技術中的缺陷，解決移動機器人在未知環境下的自主定位問題，提出一種UWB和激光雷達融合的優化移動機器人定位方法。該方法通過兩個已知UWB錨點位置信息和UWB探測器優化激光雷達位置信息進而獲得移動機器人精確位置角度信息的方法，在一定程度上緩解長期SLAM中定位誤差的累積。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

1)依靠3個固定在移動機器人上的UWB探測器對環境中位置信息已知的UWB錨點進行探測。當探測到某一錨點時，三個UWB探測器分別測得距離信息記為range1，range2，range3。

2)其UWB測距原理采用信號飛行時間法，設定模塊A為UWB探測器，模塊B為UWB錨點，利用數據包在兩個模塊之間往返時間差來計算待測目標的距離。信號在空中單向傳播的時間為：

T_TOF＝(T_TOT-T_TAT)/2

T_TOT是模塊A從發送信號到接收信號的時間差，T_TAT是模塊B從接收信號到發送信號的時間差。

3)兩模塊間的距離d_T(t)：

d_T(t)＝c×T_TOF

c是光速，T_TOF為信號在空中傳播的速度。