[发明专利]基于UWB的室内移动机器人定位方法

说明书

本发明公开了基于UWB的室内移动机器人定位方法，包括以下步骤：S10，设置基站位置；S20，定位系统构建；S30，测距：测量各基站与标签之间的距离；S40，筑构卡尔曼滤波，修正测量数据；S50，定位解算，求出标签坐标；S60，测试比较。本发明利用UWB技术，同时采用ADS‑TWR测距技术保证定位系统的实时性和测距精度，确保移动机器人在室内能够精准定位，自主导航，定位要求精准度高。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于UWB的室内移动机器人定位方法。

背景技术

随着社会经济的进一步发展，工业自动化水平的进一步提高，服务机器人的已经深入到社会生活的各个方面，其中室内移动机器人占据了很大一部分，与相对结构化的工业场景不同，复杂的室内环境，对移动机器人的定位提出了更高的要求。如何在室内场景中灵活、准确的进行定位,是移动机器人自主导航中的最基本环节，也是其完成室内任务的关键问题。对定位的要求是定位精度高(亚米级精度)，实时性好。

目前室内定位技术在国内的发展呈现多点开花、百鸟争鸣的态势：紫蜂定位技术、WI-FI定位技术、蓝牙定位技术、雷达定位技术、SLAM视觉定位技术和超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术等，其中UWB信号具有超高分辨率、抗多径效应、穿透力强以及结构简单的优点，成为目前室内高精度定位的最佳技术。比较各种室内定位技术的特点，可见，UWB系统在体积、功耗、抗干扰、定位精度等多个方面有着得天独厚的巨大优势和傲视群雄的超强竞争力。

UWB定位技术可以达到厘米级甚至更高的定位精度，完全归功于其定位技术十分独特的通信机制。传统的载波信号调制方法被抛弃，取而代之的是采用纳秒级别的窄脉冲直接发射信号，UWB系统这一做法造就了其频谱范围极其宽广、信噪比很低的优势。整个UWB系统是一个纯数字系统，发射机和接收机不包含传统的IF和RF电路，这一特性也使得在实际情况下，UWB系统体积可以压缩到很小。可见，UWB系统在体积、功耗、抗干扰、定位精度等多个方面有着得天独厚的巨大优势和傲视群雄的超强竞争力。

UWB定位标签是可移动的被定位目标，其向周围发送纳秒级的脉冲信号，固定安装在周围的UWB基站接收并测量上述脉冲信号，经过滤波、滑动相关等运算，各自计算得到脉冲信号的到达时刻等定位测量信息。

近期，国内的超宽带定位领域，许多亮眼的公司和团队如雨后春笋般纷纷涌现。四川成都恒高公司，上市了其研发的UWB定位系统、UWB定位软件，SDK开发平台和UWB定位基站与标签，产品种类相当齐全丰富，其UWB定位系统可与视频高度融合，实现实时定位。在苹果公司最新的产品发布会上，小型外设AirTags正式在公众面前亮相。这款外设具备UWB无线功能，可通过手机应用寻找物件；小米公司在公开的技术演示中也使用了UWB技术，主要针对的就是室内高精度定位。在智能家居的应用场景下，UWB技术能够以手机为核心进行感知测距，是一大创新应用。

UWB定位技术的原理，首先要知道它的测距原理才行。UWB定位技术可采用TOF(飞行时差)测距，TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个收发机之间飞行时间来测量节点间的距离。模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的a1发射请求性质的脉冲信号，模块B在b2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳a2时刻接收。通过公式就可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离。UWB的室内定位原理则和卫星原理很相似，就是通过室内布置数个已知坐标的定位基站，需要定位的人员携带定位标签，标签按照一定的频率发射脉冲，不断和几个基站进行测距，通过一定的定位解算算法定出标签的位置。但是室内的环境复杂，障碍物多，容易产生某个基站的信号完全被遮挡的非视距(NLOS)情况。目前在UWB定位系统中广泛使用的定位解算算法一般有以下几种：最小二乘法估计(LSE)、Fang算法、Chan算法、Taylor算法，LSE可以通过最小化误差的平方和，搜寻数据的最优函数匹配，能进一步减小NLOS造成的误差。