一种基于uwb的室内移动机器人定位与导航控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于室内机器人通信技术和控制技术领域，具体设及一种基于UWB的室内 移动机器人定位与导航控制方法。
【背景技术】
[0002] 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，移动机器人的服务 已经深入到社会生产的各个方面。
[0003] 目前，室内移动机器人主要依靠 AGV小车来实现。AGV小车路径控制主要有轨道引 导和视觉引导两种方式。轨道引导需要在作业现场铺设轨道引导小车行进，运样的路径控 制方式的不足是：（1)轨道的铺设使得工业作业现场AGV小车路径灵活性不足，加工工艺的 改变，需要用户改变铺设的轨道；（2)对于多移动机器人的复杂路径或交叉路径，铺设轨道 的方式，是无法引导AGV小车的。视觉引导方式是使用基于图像背景的定位原理，引导小车 行进，存在的不足:（1)位置精度误差大;（2)作业环境的改变，需要重新布置图像背景。
[0004] 针对上述AGV小车路径控制方式和定位原理，无线定位方案明显弥补了其定位的 不足。目前无线定位技术有很多，包括Wifi、RFID、超声波和蓝牙等，各种定位技术特点如表 1所示，然而其定位实现均存在一个共性问题-定位精度是米级水平，正是运一问题的存在， 限制了无线定位技术在室内环境中的应用。
[0005] 表1无线定位技术特点
UWB技术是一种利用亚纳秒级超窄脉冲的无载波通信技术。相对于其他定位技术，UWB 技术具有W下优势： 1. 通信距离远，能实现百米范围内有效通信，满足室内定位需要 2. 高数据传输速率，10米范围内数据传输速率达到百Mbit/s，甚至到达化it/s 3. 抗干扰能力强，多径分辨能力强 4. 功耗小，发射功率在mW级别 5. 时间分辨率高，时间区分度在亚纳秒级别 UWB室内定位技术在理论上可W将误差控制在10cm，实际应用中能控制误差在20 cm 内。相对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可W获得更高的定位精度和稳定性。
【发明内容】
[0006] 发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可W保证室内 机器人具有更高的定位精度和稳定性的基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法。
[0007] 技术方案:本发明所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航控制方法，包 括： 单个标签与单个基站之间的测距:通过设置在标签W及基站上的UWB通讯忍片来自主 获得UWB信号的飞行时间，然后将飞行时间乘W信号传播速率就可W得到单个标签与单个 基站之间的距离； 单个标签与多个基站之间的测距:标签使用广播方式，向基站分配时间节点，设置各基 站的回应时间；基站接收标签广播帖后，重新进入接收状态，等待标签请求信号;标签发送 请求帖后，进入接收状态，等待基站回应信号;各基站依据通信前标签分配的回应时间，依 序向标签作出回应，发送成功后进入接收状态，等待标签终止信号;标签接收完各基站回应 帖后，将各关键帖时间戳打包形成终止帖，W广播方式发送给相应基站;各基站在接收标签 终止帖后，解析帖包中的有效数据，计算与标签之间距离，在下一轮通信中，将距离值放入 回应帖返送至标签;基站依据实际需要，将相应数据经通信基站上传至服务器;标签获取与 各基站距离值之后，使用内置的定位算法软件计算出自身坐标信息，一方面经串口送至移 动机器人控制器，另一方面，经通信基站，上传至服务器，供后续应用软件使用； 多标签与多个基站之间的测距:通过采用"按时间片轮转方式运行"的方法，为每一个 标签设置一个时间片：当一个新标签添加到系统中时，标签需要向基站发送一种特殊帖，请 求系统为其注册一个合法身份，在得到基站有效回应后，新标签才能与基站进行测距;基站 在向标签发送身份应答信号时，同时根据系统中标签数，为新标签分配一个新的时间片，标 签只能在运个时间片上主动呼叫基站； 标签的定位:采用T0F定位方法，标签与基站之间通过UWB信号的飞行时间，进行测距； 在标签获得与多个基站之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，W各基站坐标为圆 屯、，相应的距离为半径，利用圆交点计算标签坐标位置。
[0008] 进一步的，在多标签与多个基站之间的测距过程中，为了优化系统性能，基站会定 期地扫描标签，用来清除那些长时间没有呼叫动作的标签，更新标签时间片。
[0009] 进一步的，标签的定位发生误差时，多个定位圆并不相交于一点，运种情况下，利 用定位算法从有限的定位圆交点中选择若干个合理的交点做进一步处理，最终得到标签坐 标。
[0010] 进一步的，所述标签中的单片机在计算得到自身坐标信息后，一方面，经通信接 口，将坐标信息传至移动机器人控制器;另一方面，可经通信基站和网络将该坐标信息上传 至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处理。
[0011] 进一步的，用户通过访问系统服务器，可W浏览移动机器人的各种状态参数信息； 同时，用户可W使用客户端软件，通过互联网改变移动机器人的预设行进路线，实现对移动 机器人的路径规划，W满足对生产工艺的需求。
[0012] 进一步的，移动机器人获取标签的当前坐标信息和用户设定的目标位置及预设路 径信息，自动进行路径规划和前行，并能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理， 到达指定的工位进行后续加工。
[0013] 进一步的，在标签的定位中所述的多个基站中其中有一个为通信基站。
[0014] 有益效果:本发明通过UWB技术对室内机器人的无线定位控制，加 W配合先进的测 距方法，可w获得更高的定位精度和稳定性。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统控制效果图； 图2为本发明的基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统结构框图； 图3为本发明的标签与基站的信息流向示意图； 图4为本发明在无误差下T0F定位示意图； 图5为本发明在有误差下T0F定位示意图； 图6为本发明测距原理结构示意图； 图7为本发明多基站通信测距原理结构示意图； 图8为本发明T0F定位实现步骤流程示意图； 图9为本发明的标签时间片结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施例对本发明的工作原理W及具体的技术方案作进一步详细说 明： 室内移动机器人应用可W概括为两大部分:定位和导航。定位是指移动机器人依托4个 基站的测距数据，实时计算得到自身的平面位置信息S(x，y);导航是指移动机器人，根据自 身当前位置信息、用户设定的目标位置及预设路径信息（用户设定机器人的行走路径），能 自动进行路径规划，并控制移动机器人前行。同时移动机器人能根据当前作业环境自动地 进行避障和防碰撞处理 图1为基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统控制效果图，模拟具有4个生产工位 的工作车间，5个移动机器人实现工位间自动搬运原料进行加工的场景。
[0017] 车间室内顶部安装有4个使用UWB技术的基站(基站1、基站2、基站巧日基站4)，移动 机器人上同时安装有使用UWB技术的标签。标签按照设定机制与基站进行通信，可W计算自 身的坐标位置S(x，y)(坐标位置由标签单片机计算）。标签单片机在计算得到自身坐标信息 后，一方面，经通信接口，将坐标信息传至移动机器人控制器;另一方面回送通信基站。通信 基站利用Wifi网络将将该坐标信息上传至服务器进行存储，并可由上位机软件做进一步处 理。
[0018] 针对生产流程多变的作业现场，系统满足用户的个性化需求。用户通过访问系统 服务器，可W浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可W使用客户端软件，通过 互联网改变移动机器人的预设行进路线，实现对移动机器人的路径规划，W满足对生产工 艺的需求。
[0019] 移动机器人获取标签的当前坐标信息和用户设定的目标位置及预设路径信息，自 动进行路径规划和前行，并能根据当前作业环境自动地进行避障和防碰撞处理，到达指定 的工位进行后续加工。
[0020] 图1中虚线表示用户通过客户端软件设定的移动机器人目标位置（即指工位1、工 位2、工位3、工位4)和预设路径。如图所示，工位2和工位3之间存在障碍物，移动机器人自动 完成避障；工位1和工位4之间，两个向不同方向行进的移动机器人自动进行防碰撞处理。
[0021] 系统框架为Ξ层结构，如图2所示，分别为设备层、中间层和应用层。
[0022] 设备层完成系统硬件平台的搭建，主要包括基站、标签、移动机器人和Wifi通信模 块的硬件设计。其中基站与标签完成定位功能，Wifi模块和通信基站(基站分为通信基站和 普通基站）用于连接设备层和中间层，实现信息的上传和下达。标签与基站之间，按照设定 的机制，通过UWB信号的飞行时间，进行测距;在标签获得与4个基站(其中1个为通信基站） 之间的有效距离时，选择可信度高的3个距离，利用定位算法求解标签坐标信息;标签在获 得坐标信息后，一方面将坐标信息传至与标签一体的移动机器人控制器，用于机器人导航 控制；另一方面回送通信基站。通信基站利用Wifi网络将将该坐标信息上传至服务器进行 存储，并可由上位机软件做进一步处理； 设备层标签安装在移动机器人本体上，并与移动机器人控制器使用串口进行通信。移 动机器人通过标签、通信基站、Wifi网络、服务器和因特网实现与客户端软件的信息交互。
[0023] 中间层主要包括数据库、数据分析软件和服务器，主要完成数据存储转发、分析处 理和远程访问控制功能。使用SQL Server 2012软件，完成数据库的建立、存取和维护;使用 C#开发数据分析软件，并利用.肥T平台提供的接口，实现与数据库数据的交互，完成对各种 数据的分析处理;为实现远程访问系统数据的目的，中间层将设计基于Socket的网络后台 服务器。
[0024] 应用层主要提供友好的远程客户端软件界面，利用Visual studio平台开发C#软 件，进行移动机器人状态信息在线更新、移动机器人路径规划和其他相关报表的生成。
[0025] 基站和标签是整个系统的核屯、，最终实现定位和导航功能。图3表示N个标签和4个 基站之间的信息流向关系。每个标签都需要依次与各基站进行UWB通信，标签按照设定机制 完成一轮通信后可W计算获得自身的坐标位置。为了实现设备层与中间层信息互联，系统 在设备层设有通信基站（如基站1 )，相对于普