一种基于超宽频信号的定位寻径方法和装置与流程

本发明涉及机器人定位技术领域，尤其涉及一种基于超宽频信号的定位寻径方法和装置。

背景技术：

随着机器人技术的日趋成熟，内部主要部件的采购成本逐渐降低，各类机器人大量投入商用以及服务领域将在未来几年成为可能。不管对于哪一种类的机器人，其对于自身在空间中的定位、自主导航、对目标用户的定位都是最为基本以及重要的功能之一。

当前自主定位及导航的实现，主要通过将雷达、摄像头、加速度传感器、陀螺仪、计步器等传感器所反馈的信息融合计算后得到自身的估计位置，再根据目标位置规划移动路径并执行任务。而对于目标用户，则主要通过摄像头对可见场景进行特征值提取，以此识别并定位目标用户从而进行服务。

在使用多传感器数据进行融合计算获得机器人自身的估计位置时，对于商用级或消费级的机器人，因为成本原因，厂家无法安装理论上需要的所有传感器，也无法装上很高精度的传感器，这使得使用此方法实现自身地位的机器人在行动不久就会产生位置漂移，用雷达与摄像头扫描对比空间特征值可以临时纠正一下漂移，但这之中涉及到大量的数据计算，而低成本机器人的中央控制单元一般不能提供足够强大的计算能力进行此类计算和多传感器数据的快速融合计算。对于识别和定位被服务对象，同样遭遇了对图像特征值进行大量计算的问题。而且对于机器人在一个较大区域对多人提供服务时，按现有的办法，机器人是无法定位在其视线外的被服务对象的，根本无法知道谁需要服务，去哪个地方找他/她，大大局限了机器人的应用场景。

目前现有技术采用的多传感器进行进融合计算获得机器人自身的估计位置时，机器人无法定位雷达、摄像头视线以外的目标，无法对视线外目标进行寻径移动，局限机器人的应用场景；而且，单传感器普遍精度不高且易出现位置漂移，多传感器综合使用造成成本大幅增加且不能满足大量数据计算处理从而进行快速寻径。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于超宽频信号的定位寻径方法和装置，旨在解决目前定位寻径精度不高且无法定位雷达或摄像头视线以外的目标，无法对视线外目标进行寻径移动，局限机器人的应用场景等问题。

为解决上述问题，本申请提供一种基于超宽频信号的定位寻径方法，包括步骤：

向超宽频基站发送测距请求；

获取所述超宽频基站返回的目标数据；

将所述目标数据融合于实时场景地图中，生成定位地图，并根据所述定位地图得出相对位置坐标；

规划出由所述相对位置坐标至目标坐标的实时路线，根据所述实时路线到达目标。

优选地，所述获取所述超宽频基站返回的目标数据，包括：

获取不少于三个所述超宽频基站发出的与所述测距请求相对应的到达超宽频基站的绝对距离数据。

优选地，所述获取不少于三个所述超宽频基站发出的与所述测距请求相对应的到达所述超宽频基站的绝对距离数据之后，还包括：

调取所述绝对距离数据；

利用三边测量法计算出位于所述超宽频基站坐标系中的坐标数据，生成目标数据。

优选地，将所述目标数据融合于实时场景地图中，生成定位地图，并根据所述定位地图得出相对位置坐标，包括：

获取包括实时地图坐标系的实时场景地图数据；

融合所述实时地图坐标系与所述超宽频基站坐标系，生成定位地图；

计算出位于所述定位地图中的初始坐标；

融合多功能传感器返回数据对所述初始坐标进行校验，得出相对位置坐标。

优选地，所述规划出由所述相对位置坐标至目标坐标的实时路线，还包括：

根据相对位置坐标计算出实时位置坐标；

根据所述实时位置坐标与所述目标坐标规划出到达目标的实时路线；

通过所述实时路线进行寻径移动，到达所述目标位置。

为解决上述问题，本申请还提供一种基于超宽频信号的定位寻径装置，包括：发送模块、获取模块、融合模块和规划模块；

所述发送模块，用于向超宽频基站发送测距请求；

所述获取模块，用于获取所述超宽频基站返回的目标数据；

所述融合模块，用于将所述目标数据融合于实时场景地图中，生成定位地图，并根据所述定位地图得出相对位置坐标；

所述规划模块，用于规划出由所述相对位置坐标至目标坐标的实时路线，根据所述实时路线到达目标。

优选地，所述获取模块，还用于获取不少于三个所述超宽频基站发出的与所述测距请求相对应的到达超宽频基站的绝对距离数据。

优选地，还包括：调取模块和计算模块；

所述调取模块，用于调取所述绝对距离数据；

所述计算模块，用于利用三边测量法计算出位于所述超宽频基站坐标系中的坐标数据，生成目标数据。

优选地，所述获取模块，还用于获取包括实时地图坐标系的实时场景地图数据；

所述融合模块，还用于融合所述实时地图坐标系与所述超宽频基站坐标系，生成定位地图；

所述计算模块，还用于计算出位于所述定位地图中的初始坐标；

所述融合模块，还用于融合多功能传感器返回数据对所述初始坐标进行校验，得出相对位置坐标。

优选地，还包括：规划模块和移动模块；

所述计算模块，还用于根据相对位置坐标计算出实时位置坐标；

所述规划模块，用于根据所述实时位置坐标与所述目标坐标规划出到达目标的实时路线；

所述移动模块，用于通过所述实时路线进行寻径移动，到达所述目标位置。

本方法利用微型超宽频信号设备完成精准的空间定位，不仅有效降低了功耗，还大大节省了计算资源，也完全剔除了了运行这类繁重计算的时间从而更加高效地执行任务。而且本方法也可在不同的大小的运行场景中精准对不同的目标用户进行定位和寻径，从而执行具体的服务任务。

附图说明

图1为本发明基于超宽频信号的定位寻径方法的第一实施例的流程示意图；

图2为本发明的第二实施例中基于第一实施例步骤S200的细化流程示意图；

图3为本发明的第三实施例中基于第二实施例步骤S300的细化流程示意图；

图4为本发明的第四实施例中基于第三实施例步骤S400的细化流程示意图；

图5为本发明基于超宽频信号的定位寻径装置的第一实施例的功能模块示意图；

图6为本发明基于超宽频信号的定位寻径装置的第二实施例的功能模块示意图；

图7为本发明基于超宽频信号的定位寻径装置的第三实施例的功能模块示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于超宽频信号的定位寻径方法。

参照图1，图1为本发明基于超宽频信号的定位寻径方法的第一实施例的流程示意图。

在第一实施例中，所述基于超宽频信号的定位寻径方法包括：

步骤S100，向超宽频基站发送测距请求；

目前现有技术采用的多传感器进行进融合计算获得机器人自身的估计位置时，机器人无法定位雷达、摄像头视线以外的目标，无法对实现外目标进行寻径移动，局限机器人的应用场景；而且，单传感器普遍精度不高且易出现位置漂移，多传感器综合使用造成成本大幅增加且不能满足大量数据计算处理从而进行快速寻径。在本实施例中提供的一种超宽频信号的定位方法，采用的是超宽频脉冲的返回数据进行交叉对比的原理进行定位，定位更加准确且不受干扰，实时更新数据使机器人在运行状态中保持准确的寻径工作状态。在本实施例中，向超宽频信号基站发送测距请求；另外在发送请求之前可在有加密需要的前提下，先提出登录请求或握手程序，例如，首先进行与基站的采用非对称加密算法的RSA加密握手过程，当建立与基站的握手后，即可进行传输，进一步的向基站发送测距请求。

步骤S200，获取所述超宽频基站返回的目标数据；

在本实施例中，超宽频信号基站获得请求，进而测出与接收器的绝对距离后，将距离数据放入响应信号发回，当获取到超宽频基站返回的目标数据后，进行下一步寻径程序。

步骤S300，将所述目标数据融合于实时场景地图中，生成定位地图，并根据所述定位地图得出相对位置坐标；

在本实施例中，融合模块30具体可包括粒子滤波器，通过获取到目标数据后，粒子滤波器会同时接收场景地图数据，将基站坐标系与地图坐标系融合，算出超宽频信号接收器在地图中的相对位置坐标。

步骤S400，规划出由所述相对位置坐标至目标坐标的实时路线，根据所述实时路线到达目标。

本发明提出一种基于超宽频信号的定位寻径方法和装置，其中本方法利用微型超宽频信号设备完成精准的空间定位，不仅有效降低了功耗，还大大节省了计算资源，也完全剔除了了运行这类繁重计算的时间从而更加高效地执行任务。而且本方法也可在不同的大小的运行场景中精准对不同的目标用户进行定位和寻径，从而执行具体的服务任务。

参照图2，图2为本发明基于超宽频信号的定位寻径方法的第二实施例的流程示意图。

基于上述基于超宽频信号的定位寻径方法的第一实施例，所述步骤S200包括：

步骤S210，获取不少于三个所述超宽频基站发出的与所述测距请求相对应的到达超宽频基站的绝对距离数据。

步骤S220，调取所述绝对距离数据；

步骤S230，利用三边测量法计算出位于所述超宽频基站坐标系中的坐标数据，生成目标数据。

在本实施例中，采用的三边测量法推测出目标数据的坐标，接收器接到最少3个基站的距离数据，并用三边测量法算出其在基站坐标系中的坐标。需要理解的是，三边测量是在地面上布设一系列连续的三角形，采取测边方式来测定各三角形顶点水平位置的方法。是建立大地控制网和工程测量控制网的方法之一。用三边测量布设控制网时，以连续的三角形构成锁状或网状，测量其中每个三角形的三边，并用天文测量方法测设起始方位角，然后从一起始点和方位角出发，利用测量的边长推算其他各边的方位角，以及各三角形顶点在所采用的大地坐标系中的水平位置。由于用三边测量方法布设锁网不进行角度测量，推算方位角的误差易于迅速积累，所以需要通过大地天文测量测设较密的起始方位角，以提高三边测量锁网的方位精度。此外，在三角测量中，可以用三角形的三角之和应等于其理论值这一条件作为三角测量的内部校核，而测边三角形则无此校核条件，这是三边测量的缺点。1979年出现了三波长电磁波测距仪，测量精度提高了一个数量级。随着这种仪器的推广，三边测量将得到广泛的应用。当作业期间的天气条件不利于角度观测时，用微波测距仪建立二等或更低等的三边测量锁网，有较高的经济效益。工程测量中正在采用激光测距仪或红外测距仪布设短边的三边测量控制网。为了特殊目的布设高精度大地测量控制锁网时，可以测量每个三角形的三边和三角，再于其中加测适当密度的天文点提供方位控制。这种方法称作边角测量。这样的锁网不存在尺度误差积累，方位误差积累也有所控制，故其精度极高。在本实施例中，通过三边测量法计算定位，偏差可控制在+-10厘米内。进一步的，在返回得到目标数据后，将目标数据以超低频发给粒子滤波器，在一定程度上可做到缓解发热及进一步降低功耗的目的。

参照图3，图3为本发明基于超宽频信号的定位寻径方法的第三实施例的流程示意图。

基于上述基于超宽频信号的定位寻径方法的第二实施例，所述步骤S300包括：

步骤S310，获取包括实时地图坐标系的实时场景地图数据；

步骤S320，融合所述实时地图坐标系与所述超宽频基站坐标系，生成定位地图；

步骤S330，计算出位于所述定位地图中的初始坐标；

步骤S340，融合多功能传感器返回数据对所述初始坐标进行校验，得出相对位置坐标。

在本实施例中，首先通过粒子滤波器获取实时场景地图的数据，该数据具体可以为预设地图场景数据，或通过传感器现场测绘的实时场景地图。完成基站的坐标系向实时场景地图坐标系的转换，再通过多功能传感器返回数据与相对应的加权值进行概率计算，得出最终结果。多功能传感器包括GPS卫星定位数据、红外传感器、摄像头扫描定位寻径装置、雷达扫描定位传感器等，通过多种数据对定位结果的校验，最终得到更准确的数据，免去了由于单独使用低成本传感器或单独使用超宽频脉冲所有可能产生的位置漂移的问题，提高了定位精度。

参照图4，图4为本发明基于超宽频信号的定位寻径方法的第五实施例的流程示意图。

基于上述基于超宽频信号的定位寻径方法的第四实施例，在所述步骤S400包括：

步骤S410，根据相对位置坐标计算出实时位置坐标；

步骤S420，根据所述实时位置坐标与所述目标坐标规划出到达目标的实时路线；

步骤S430，通过所述实时路线进行寻径移动，到达所述目标位置。

在本实施例中，根据相对位置坐标算出的机器人所在的实时位置坐标，在知道目标位置的情况下，规划到达目标的最优路径。进一步的，可以结合现在的运动状态，发出适当的移动速度指令，使得电机速度控制器能够控制其沿着规划好的路径行走，最后达到目标位置。例如，机器人通过粒子滤波器获取并计算得到的相对位置坐标计算出的实时位置坐标进行规划，综合目标坐标，计算出最优路径，且最优路径为随时进行数据返回并进行不断运算的最优路径，从而更精确的到达目标位置。

此外，本发明还提供一种基于超宽频信号的定位寻径装置。

参照图5，图5为本发明安全交互装置的第一实施例的功能模块示意图。

在第一实施例中，所述安全交互装置包括：发送模块10、获取模块20、融合模块30和规划模块40；

所述发送模块10，用于向超宽频基站发送测距请求；

目前现有技术采用的多传感器进行进融合计算获得机器人自身的估计位置时，机器人无法定位雷达、摄像头视线以外的目标，无法对视线外目标进行寻径移动，局限机器人的应用场景；而且，单传感器普遍精度不高且易出现位置漂移，多传感器综合使用造成成本大幅增加且不能满足大量数据计算处理从而进行快速寻径。在本实施例中提供的一种超宽频信号的定位方法，采用的是超宽频脉冲的返回数据进行交叉对比的原理进行定位，定位更加准确且不受干扰，实施更新数据使机器人在运行状态中保持准确的寻径工作状态。在本实施例中，首先通过发送模块10即超宽频脉冲接收装置首先超宽频信号微型装置(即超宽频信号接收器)向超宽频信号基站发送测距请求；另外在发送请求之前可在有加密需要的前提下，先提出登录请求或握手程序，例如，首先进行与基站的采用非对称加密算法的RSA加密握手过程，当建立与基站的握手后，即可进行传输，进一步的向基站发送测距请求。

所述获取模块20，用于获取所述超宽频基站返回的目标数据；

在本实施例中，超宽频信号基站获得请求，进而测出与接收器的绝对距离后，将距离数据放入响应信号发回，当通过获取模块20获取到超宽频基站返回的目标数据后，进行下一步寻径程序。

所述融合模块30，用于将所述目标数据融合于实时场景地图中，生成定位地图，并根据所述定位地图得出相对位置坐标；

在本实施例中，融合模块30具体可包括粒子滤波器，通过获取到目标数据后，粒子滤波器会同时接收场景地图数据，将基站坐标系与地图坐标系融合，算出超宽频信号接收器在地图中的相对位置坐标。

所述规划模块40，用于规划出由所述相对位置坐标至目标坐标的实时路线，根据所述实时路线到达目标。

所述获取模块20，还用于获取不少于三个所述超宽频基站发出的与所述测距请求相对应的到达超宽频基站的绝对距离数据。

本发明提出一种基于超宽频信号的定位寻径方法和装置，本方法在不使用雷达或摄像头数据进行大量特征值比对计算的情况下，仅用微型超宽频信号设备就能完成精准的空间定位，这不仅有效降低了移动机器人的功耗，还大大节省了机器人控制单元的计算资源，也完全剔除了了运行这类繁重计算的时间，使机器人能更加高效地执行任务。而且本方法也使得机器人能在不同的大小的运行场景中精准对不同的目标用户进行定位和寻径，从而执行具体的服务任务。

参照图6，图6为本发明安全交互装置的第二实施例的功能模块示意图。

基于上述基于超宽频信号的定位寻径装置的第一实施例，本实施例中安全交互装置还包括：调取模块50和计算模块60；

所述调取模块50，用于调取所述绝对距离数据；

所述计算模块60，用于利用三边测量法计算出位于所述超宽频基站坐标系中的坐标数据，生成目标数据。

所述获取模块20，还用于获取包括实时地图坐标系的实时场景地图数据；

所述融合模块30，还用于融合所述实时地图坐标系与所述超宽频基站坐标系，生成定位地图；

所述计算模块60，还用于计算出位于所述定位地图中的初始坐标；

所述融合模块30，还用于融合多功能传感器返回数据对所述初始坐标进行校验，得出相对位置坐标。

在本实施例中，通过调取模块50和计算模块60进行相对位置坐标的数据采集和计算，具体的，采用的三边测量法推测出目标数据的坐标，接收器接到最少3个基站的距离数据，并用三边测量法算出其在基站坐标系中的坐标。需要理解的是，三边测量是在地面上布设一系列连续的三角形，采取测边方式来测定各三角形顶点水平位置的方法。是建立大地控制网和工程测量控制网的方法之一。用三边测量布设控制网时，以连续的三角形构成锁状或网状，测量其中每个三角形的三边，并用天文测量方法测设起始方位角，然后从一起始点和方位角出发，利用测量的边长推算其他各边的方位角，以及各三角形顶点在所采用的大地坐标系中的水平位置。由于用三边测量方法布设锁网不进行角度测量，推算方位角的误差易于迅速积累，所以需要通过大地天文测量测设较密的起始方位角，以提高三边测量锁网的方位精度。此外，在三角测量中，可以用三角形的三角之和应等于其理论值这一条件作为三角测量的内部校核，而测边三角形则无此校核条件，这是三边测量的缺点。1979年出现了三波长电磁波测距仪，测量精度提高了一个数量级。随着这种仪器的推广，三边测量将得到广泛的应用。当作业期间的天气条件不利于角度观测时，用微波测距仪建立二等或更低等的三边测量锁网，有较高的经济效益。工程测量中正在采用激光测距仪或红外测距仪布设短边的三边测量控制网。为了特殊目的布设高精度大地测量控制锁网时，可以测量每个三角形的三边和三角，再于其中加测适当密度的天文点提供方位控制。这种方法称作边角测量。这样的锁网不存在尺度误差积累，方位误差积累也有所控制，故其精度极高。在本实施例中，通过三边测量法计算定位，偏差可控制在+-10厘米内。进一步的，在返回得到目标数据后，将目标数据以超低频发给粒子滤波器，在一定程度上可做到缓解发热及进一步降低功耗的目的。

参照图7，图7为本发明安全交互装置的第三实施例的功能模块示意图。

基于上述基于超宽频信号的定位寻径装置的第二实施例，本实施例中安全交互装置还包括：移动模块70；

所述计算模块60，还用于根据相对位置坐标计算出实时位置坐标；

所述规划模块40，还用于根据所述实时位置坐标与所述目标坐标规划出到达目标的实时路线；

所述移动模块70，用于通过所述实时路线进行寻径移动，到达所述目标位置。

在本实施例中，根据计算模块60以相对位置坐标算出的机器人所在的实时位置坐标，在知道目标位置的情况下，利用规划模块40规划到达目标的最优路径。进一步的，可以结合现在的运动状态，发出适当的移动速度指令，使得电机速度控制器能够利用移动模块70控制其沿着规划好的路径行走，最后达到目标位置。例如，机器人通过粒子滤波器获取并计算得到的实时位置坐标进行规划，综合目标坐标，计算出最优路径，且最优路径为随时进行数据返回并进行不断运算的最优路径，从而更精确的到达目标位置。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。