基于UWB的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)位置感知系統(tǒng)

李波 徐月娜

摘要

位置感知系統(tǒng)是現(xiàn)代服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵要素之一，許多實(shí)際應(yīng)用，如工廠自動(dòng)化、室內(nèi)配送，甚至搜索救援場(chǎng)景，都要求機(jī)器人能夠在此室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行精準(zhǔn)導(dǎo)航，并在最少或不需要基礎(chǔ)設(shè)施部署的情況下到達(dá)移動(dòng)目標(biāo)本文研究并提出了一種利用超寬帶（UWB）定位技術(shù)的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位的新方法。

【關(guān)鍵詞】UWB 位置感知 服務(wù)機(jī)器人

隨著我國(guó)服務(wù)機(jī)器人的快速發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人的腳步己從室外服務(wù)、室內(nèi)定點(diǎn)位置服務(wù)逐步轉(zhuǎn)向室內(nèi)移動(dòng)位置服務(wù)，而隨著這一發(fā)展，機(jī)器人必須要有室內(nèi)的精準(zhǔn)感知系統(tǒng)，才能滿足其發(fā)展的需要。而傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)借助于全球定位系統(tǒng)（GPS），利用衛(wèi)星和移動(dòng)對(duì)象之間的直接通信，已可以完成精確定位，。傳統(tǒng)的GPS信號(hào)由于受到建筑物等的遮擋，無法準(zhǔn)確測(cè)距，在室內(nèi)環(huán)境下很難完成精準(zhǔn)位置感知，無法達(dá)到對(duì)機(jī)器人定位、導(dǎo)航，追蹤的高精度要求;而且機(jī)器人室內(nèi)位置感知系統(tǒng)基本還處于初期階段，又由于目前室內(nèi)定位精度較低，多系統(tǒng)融合較差，都使得機(jī)器人室內(nèi)感知系統(tǒng)應(yīng)用無法廣泛推進(jìn)。現(xiàn)有的多種定位導(dǎo)航系統(tǒng)還存在以下缺點(diǎn)：

（1）室內(nèi)定位導(dǎo)航精度低，現(xiàn)有Wi_Fi、藍(lán)牙、Zigbee等定位室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)精度一般在3米以上;

（2）室內(nèi)定位導(dǎo)航抗干擾能力差，現(xiàn)有Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee等定位室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)都是采用信號(hào)強(qiáng)度來定位，容易受到外界無線電波的干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差;

（3）現(xiàn)有的機(jī)器人定位感知系統(tǒng)大部分為紅外和超聲波。這些傳感器系統(tǒng)需要硬件基礎(chǔ)設(shè)施來通信信號(hào)，它們限制了可伸縮性。它們側(cè)重于高精度而不是易于部署。其雖可實(shí)現(xiàn)高精度的位置測(cè)量，但對(duì)室內(nèi)整體感知能力較差，基本無法實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)整體區(qū)域內(nèi)的定位、導(dǎo)航和追蹤。紅外還需要可視路徑，不能穿透室內(nèi)建筑材料，具有一定的弊端。

（4）超寬帶：超寬帶為信號(hào)提供了較寬的頻譜和良好的時(shí)間分辨率，這有助于在密集的多徑環(huán)境中可靠的定位能力。這些信號(hào)的短持續(xù)時(shí)間在厘米級(jí)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很高的精度。

基于此本文提出了采用在室內(nèi)搭建超寬帶定位系統(tǒng)，并在服務(wù)機(jī)器人上加載定位標(biāo)簽的方式可實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人在室內(nèi)的精準(zhǔn)位置感知。

1 超寬帶（UWB）位置感知系統(tǒng)

超寬帶高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)是近年來興起的一種無載波、高精度、高可靠性的定位技術(shù)。超寬帶（UWB，UltraWideBand）是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。采用UWB進(jìn)行設(shè)備之間的通信，利用其亞納秒級(jí)的脈沖信號(hào)測(cè)量距離可以達(dá)到厘米級(jí)精度。因此，將超寬帶通信用于空間定位，可以獲得厘米級(jí)的定位精度。UWB脈沖含有豐富的高頻分量，可直接由天線輻射，無需射頻載波，對(duì)于安全性、保密性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)所最為適用。

1.1 系統(tǒng)組成

超寬帶位置感知系統(tǒng)分為位置信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層三部分。

1.1.1 信息感知層

在定位環(huán)境中，服務(wù)機(jī)器人上的定位標(biāo)簽發(fā)射UWB脈沖信號(hào)，由經(jīng)過時(shí)鐘同步的接收機(jī)接收、放大UWB信號(hào)，并將其數(shù)據(jù)信息和接收時(shí)間傳送至定位引擎服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)位置信息的感知。定位引擎服務(wù)器通過計(jì)算出定位標(biāo)簽信號(hào)到達(dá)不同接收機(jī)的時(shí)間差（TDOA），然后采用TDOA定位算法對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行解算，實(shí)現(xiàn)位置的解算。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層的作用是通過有線或無線的方式將接收機(jī)發(fā)射的超寬帶信號(hào)傳輸?shù)叫畔⑻幚砑翱刂破脚_(tái)。

1.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是針對(duì)使用者而言，為了更為有效、方便的使用采集到的位置信息，應(yīng)用層有服務(wù)中心、電腦客戶端、手機(jī)APP等多樣終端，并設(shè)計(jì)了多種服務(wù)機(jī)器人基于位置信息的輔助功能。

1.2 硬件組成

超寬帶位置感知系統(tǒng)主要包括定位基站、定位標(biāo)簽和定位引擎三大部分，其中定位標(biāo)簽安裝在服務(wù)機(jī)器人身上，并采用Wi-Fi接收實(shí)時(shí)位置信號(hào)。

其中定位基站主要是接收來自定位標(biāo)簽發(fā)射的超寬帶信號(hào)，基站將接收時(shí)的時(shí)間戳信息和接收到的信號(hào)——對(duì)應(yīng)，打包后通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心服務(wù)器;

定位標(biāo)簽安裝在服務(wù)機(jī)器人頭頂，采用10Hz刷新頻率想定位基站發(fā)送超寬帶信號(hào)，并同時(shí)將發(fā)送時(shí)的時(shí)間戳一同發(fā)送;

定位引擎將接收到信號(hào)包進(jìn)行排序，并進(jìn)行初步濾波，然后通過到達(dá)時(shí)間差（TDOA）算法進(jìn)行位置解算，得出初步坐標(biāo)，濾波平滑后最終得出精準(zhǔn)坐標(biāo)，最后將得到坐標(biāo)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)送回給對(duì)應(yīng)的服務(wù)機(jī)器人，使服務(wù)機(jī)器人實(shí)時(shí)得知自身的位置信息，并進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。

2 算法實(shí)現(xiàn)

服務(wù)機(jī)器人超寬帶室內(nèi)位置感知系統(tǒng)主要算法包括時(shí)鐘同步算法和坐標(biāo)定位算法：

2.1 時(shí)鐘同步算法

為了能準(zhǔn)確的計(jì)算出定位標(biāo)簽到定位基站精確距離需要進(jìn)行各基站間時(shí)鐘同步，本文采用全局時(shí)鐘同步。

全局同步是采用整個(gè)定位區(qū)域同步校準(zhǔn)的方式同步的。整個(gè)區(qū)域只有一個(gè)主基站，其余均為從基站，主基站每隔1s向周圍發(fā)送時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)，從基站按事先設(shè)定好的編號(hào)進(jìn)行接收，接收后即進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，并同時(shí)向下一級(jí)發(fā)送時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)，下一級(jí)基站也按照設(shè)定好的編號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)

2.2 坐標(biāo)定位算法

為了能較好的得到準(zhǔn)確坐標(biāo)，將得到的定位標(biāo)簽發(fā)送給四個(gè)相鄰定位基站的時(shí)間戳信息進(jìn)行處理，采用Taylor級(jí)數(shù)展開法進(jìn)行位置估算，在每一次遞歸中通過求解TDOA距差誤差的局部最小二乘（LS）解來逐漸收斂于估計(jì)位置。對(duì)于一組TDOA距差值，在確立初始位置后，將式

進(jìn)行泰勒展開，去除二階以上分量，轉(zhuǎn)化為式

其中：用最小二乘法求解出當(dāng)前位置偏差為：

其中，Q為TDOA距差值的協(xié)方差矩陣。

更新當(dāng)前估計(jì)（x，y）為（x+Δx，y+Δy），重復(fù)以上過程，直到△x，△Y足夠小，滿足預(yù)先設(shè)定的門限ε，即鈿|Δx|+|Δy|<ε，此時(shí)的（x，y）為標(biāo)簽位置。

3 驗(yàn)證與仿真

通過采用上述算法進(jìn)行辦公室測(cè)試，采用四個(gè)定位基站，一臺(tái)機(jī)器人按紅色區(qū)域行走，通過全局時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航，其行進(jìn)為藍(lán)色，采用10Hz的刷新頻率進(jìn)行標(biāo)簽超寬帶信號(hào)發(fā)射，其偏差均在25cm以內(nèi)，說明該方法可以較好的服務(wù)于機(jī)器人室內(nèi)位置感知，為機(jī)器人在室內(nèi)定位、導(dǎo)航、追蹤等提供了較好的輔助決策手段。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

超寬帶位置感知系統(tǒng)由于其采用脈沖無線電工作方式，使其具有發(fā)射功率低，抗多徑能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，保密性高等特點(diǎn)，使其具備了：

（1）定位精度高（厘米級(jí)定位）;

（2）實(shí)時(shí)性好（捕捉速度高達(dá)60m/s）;

（3）安全性高;

（4）功耗輻射低（不到常規(guī)手機(jī)輻射的1%）;

（5）智能化、自動(dòng)化程度高。

由以上多種特性極大降低了成本和功耗，使其極為適合服務(wù)機(jī)器人的室內(nèi)位置感知。

綜上所述，超寬帶室內(nèi)位置感知系統(tǒng)在服務(wù)機(jī)器人行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。

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