UWB与惯导融合的室内导航系统的制作方法

本发明属于室内导航技术领域。

背景技术：

随着社会的不断进步，越来越多的智能化产品出现在社会的各个领域中，其中最具代表性的就是拥有不同功能不同种类的智能机器人。如智能服务机器人、扫地机器人、快递配送机器人、仓储机器人、自动取货机器人。除此之外，还有无人驾驶汽车、智能工业机器人等等一系列的智能机器人。这些机器人的出现极大地改善了人们的生活水平，促进了工业的发展，因此获得了广泛的关注。

作为智能化的体现，上述类型及相关类型机器人都需要具有完全的自主能力，作为完全自主能力的体现，它们具有自主导航和执行任务的能力。而智能机器人主要用于工业生产、仓储物流、家庭服务等室内工作环境，因此研究室内环境中机器人的自主导航，对于整个的智能机器人行业具有长远的积极影响。

对于已有的室内导航系统，大部分是基于未知环境进行，即不能人为的在环境中设置参考，因此存在全局定位失效和绑架机器人问题。

惯性导航系统，简称惯导，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。

uwb，ultrawideband，是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有室内导航系统基于未知环境进行，存在全局定位失效和绑架机器人的问题，提供了一种uwb与惯导融合的室内导航系统。

本发明所述uwb与惯导融合的室内导航系统，在移动机器人上设置四个uwb标签、惯导和激光雷达，在移动机器人的运行环境中布置四个uwb基站；通过uwb基站、uwb标签和移动机器人之间的几何约束关系，获取移动机器人的位姿；利用扩展卡尔曼滤波将获取的移动机器人位姿与惯导获得的位姿进行融合，获得移动机器人的全局位姿；再将全局位姿代替导航系统中利用里程计获得的位姿，与激光雷达数据进行融合定位。

本发明的优点：本发明所述的uwb与惯导融合的室内导航系统，利用扩展卡尔曼滤波进行uwb标签和惯导的融合，能够有效地实现对室内物体的位姿的确定。将uwb与惯导融合的位姿代替传统导航中利用里程计获得的位姿。与激光雷达进行融合定位，能够有效解决现有导航系统中存在的全局定位失效和绑架机器人的问题。

附图说明

图1是本发明所述uwb与惯导融合的室内导航系统的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述uwb与惯导融合的室内导航系统，在移动机器人上设置四个uwb标签、惯导和激光雷达，在移动机器人的运行环境中布置四个uwb基站；通过uwb基站、uwb标签和移动机器人之间的几何约束关系，获取移动机器人的位姿；利用扩展卡尔曼滤波将获取的移动机器人位姿与惯导获得的位姿进行融合，获得移动机器人的全局位姿；再将全局位姿代替导航系统中利用里程计获得的位姿，与激光雷达数据进行融合定位。

本实施方式中，利用扩展卡尔曼滤波进行uwb标签和惯导的融合，能够有效地实现对室内物体的位姿的确定。

本实施方式中，将uwb与惯导融合的位姿代替传统导航中利用里程计获得的位姿。与激光雷达进行融合定位，能够有效解决现有导航系统中存在的全局定位失效和绑架机器人的问题。

本实施方式中，为了获得更高精度的移动机器人位姿误差模型，将已获得的机器人的位姿误差模型与通过惯导的加速度和角速度计算获得的机器人位姿误差模型进行扩展卡尔曼滤波，获得稳定性更好、精度更高的机器人位姿误差模型。将上述稳定性较好、精度较高的移动机器人位姿误差模型引入导航系统中，代替传统导航系统中的里程计误差模型，对机器人进行全局初定位，将机器人的精确位姿限制在一个较小的位姿空间内，再结合激光雷达数据进行更精确的定位。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，惯导设置在移动机器人本体的x轴方向，与移动机器人前进方向相同。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，通过uwb基站、uwb标签和移动机器人之间的几何约束关系，获取移动机器人的位姿的具体过程为：

步骤1、四个uwb基站向四个uwb标签发送电磁波信息；

步骤2、每个uwb标签接收四个uwb基站的电磁波信息后，通过飞行时间分别计算每个uwb标签和四个uwb基站之间的距离；

步骤3、根据每个uwb标签和四个uwb基站之间距离的约束关系，建立超定方程，通过高斯牛顿迭代法求解每个uwb标签的位置；

步骤4、获得四个uwb标签的位置后，根据uwb标签与移动机器人位姿之间的几何约束关系建立超定方程；

步骤5、根据高斯牛顿迭代法求解移动机器人的位姿。

本发明中，如图1所示，四个uwb基站分别为基站0、基站1、基站2和基站3，四个uwb标签分别为标签0、标签1、标签2和标签3，基站0、基站1、基站2和基站3分别放置在实际环境中的四个角上，标签0、标签1、标签2和标签3固定在移动机器人顶端正方形支撑板的四个角上，移动机器人下方固定惯导，在导航系统的运行过程中，首先通过串口读取标签0、标签1、标签2和标签3的距离信息、惯导的加速度信息和角速度信息，然后进行uwb与惯导的融合，再读取激光雷达的信息，结合uwb与惯导融合的定位结果进行导航系统的运行。

技术特征：

技术总结
UWB与惯导融合的室内导航系统，属于室内导航技术领域，本发明为解决现有室内导航系统基于未知环境进行，存在全局定位失效和绑架机器人的问题。本发明所述UWB与惯导融合的室内导航系统，在移动机器人上设置四个UWB标签、惯导和激光雷达，在移动机器人的运行环境中布置四个UWB基站；通过UWB基站、UWB标签和移动机器人之间的几何约束关系，获取移动机器人的位姿；利用扩展卡尔曼滤波将获取的移动机器人位姿与惯导获得的位姿进行融合，获得移动机器人的全局位姿；再将全局位姿代替导航系统中利用里程计获得的位姿，与激光雷达数据进行融合定位。本发明用于室内导航。

技术研发人员：查富生;王鹏飞;陈诺;郭伟;李满天
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2018.10.25
技术公布日：2018.12.11