CN105682047A - 一种基于uwb的室内移动机器人定位与导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，包括设备层、中间层和应用层；所述设备层完成系统硬件平台的搭建，包括基站、标签、移动机器人和Wifi通信模块，其中基站与标签实现定位功能，Wifi模块和基站中的通信基站用于连接设备层和中间层，实现信息的上传和下达；中间层包括数据库、数据分析软件和服务器，完成数据存储转发、分析处理和远程访问控制功能；应用层主要提供友好的远程客户端软件界面，实现移动机器人状态信息在线更新、完成移动机器人路径规划和其他相关报表的生成。本发明通过采用UWB技术实现室内移动机器人的定位与导航，具有抗干扰能力强、功耗小等优点，且对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于室内机器人通信技术和控制技术领域，具体涉及一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统。
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，移动机器人的服务已经深入到社会生产的各个方面。
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，这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。
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，正是这一问题的存在，限制了无线定位技术在室内环境中的应用。
表1无线定位技术特点
| 定位技术 | 特点 |
| 蓝牙 | 亚米级定位精度，用于移动用户定位 |
| Wifi | 米级定位精度，用于已部署网络区域 |
| RFID | 定位精度变化较大，用于商品物流 |
| 超声波 | 定位精度变化较大，用于功能受限的室内定位 |
| UWB | 厘米级定位精度，用于室内精确定位 |
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技术具有以下优势：
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Gbit/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以将误差控制在10cm，实际应用中能控制误差在20cm内。相对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种通过采用UWB技术进行室内移动机器人的定位与导航，具有抗干扰能力强、功耗小等优点，且对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得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系统。
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系统，包括设备层、中间层和应用层；
所述设备层完成系统硬件平台的搭建，包括基站、标签、移动机器人和Wifi通信模块，其中基站与标签实现定位功能，Wifi模块和基站中的通信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中间层服务器进行存储，供后续应用软件使用；
所述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模块、服务器和因特网实现与客户端软件的信息交互；
中间层包括数据库、数据分析软件和服务器，完成数据存储转发、分析处理和远程访问控制功能；
应用层主要提供友好的远程客户端软件界面，利用Visualstudio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。
进一步的，所述基站和标签均使用UWB信号收发芯片DW1000进行无线信号的相互收发。
进一步的，所述基站和标签中的单片机通过SPI接口实现对DW1000内部各映射寄存器的读写，控制其接收和发送无线信号，同时单片机可以配置DW1000的中断引脚，使其只在某些特定状态下触发单片机中断。
进一步的，所述基站包括通信基站和普通基站，所述通信基站连接有Wifi模块，普通基站不设有Wifi模块。
进一步的，所述通信基站的主控制器使用STM32F107RCT6型号单片机，Wifi部分采用USR-WIFI232-A型号串口转Wifi模块。
进一步的，所述通信基站还设有状态指示模块。
进一步的，所述标签与移动机器人之间使用串口进行通信，所述移动机器人采用单片机控制，且该单片机还连接有转向舵机模块、驱动电机模块和避障传感器。
进一步的，所述中间层使用SQLServer2012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.NET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。
进一步的，用户通过访问系统服务器，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，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，以满足对生产工艺的需求。
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。
有益效果：本发明通过采用UWB技术进行室内移动机器人的定位与导航，具有抗干扰能力强、功耗小等优点，且对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。
附图说明
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为本发明单片机与DW1000通信结构示意图；
图5为本发明的通信基站的硬件结构示意图；
图6为本发明的标签与移动机器人硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的工作原理以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以概括为两大部分：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。
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3和基站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，可以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。
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，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，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，以满足对生产工艺的需求。
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。
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。
系统框架为三层结构，如图2所示，分别为设备层、中间层和应用层。
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。
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SQLServer2012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.NET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。
应用层主要提供友好的远程客户端软件界面，利用Visualstudio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。
基站和标签是整个系统的核心，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以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），相对于普通基站（如基站2、基站3、基站4），通信基站上安装Wifi模块，能够利用Wifi网络连接至中间层服务器。
基站与标签配合实现定位和导航功能，因此两者硬件上均使用UWB信号收发芯片DW1000，DW1000是一款高度集成化的低功耗的UWB无线信号收发芯片，其兼容IEEE802.15.4-2011标准。DW1000参数如表2所示。
表2DW1000参数
单片机通过SPI接口实现对DW1000内部各映射寄存器的读写，控制其接收和发送无线信号，同时单片机可以配置DW1000的中断引脚，使其只在某些特定状态下触发单片机中断，满足实时性需要，控制原理如图4所示。
基站分为普通基站和通信基站。由于普通基站、通信基站和标签功能不同，因此三者硬件上有如下区别：
（1）电源方面，标签使用锂电池供电，体积小；基站由室内+5V电源供电；
（2）标签和普通基站无Wifi模块，通信基站有Wifi模块。
通信基站硬件结构如图5所示，基站主控制器使用STM32F107RCT6型号单片机，Wifi部分使用有人公司生产的USR-WIFI232-A型号串口转Wifi模块，此外为方便维护基站设备，基站还设有必要的状态指示模块。
普通基站相比通信基站，不具有联网功能，因此，在硬件上普通基站不设有Wifi模块，其他部分同通信基站。
标签按照设定的机制与基站进行通信，并实现与移动机器人控制器的信息交互。标签与移动机器人硬件结构如图6所示。标签与移动机器人之间使用串口进行通信。所述移动机器人采用单片机控制，且该单片机还连接有转向舵机模块、驱动电机模块和避障传感器。
本发明通过采用UWB技术进行室内移动机器人的定位与控制，具有抗干扰能力强、功耗小等优点，且对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：包括设备层、中间层和应用层；
所述设备层完成系统硬件平台的搭建，包括基站、标签、移动机器人和Wifi通信模块，其中基站与标签实现定位功能，Wifi模块和基站中的通信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中间层服务器进行存储，供后续应用软件使用；
所述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模块、服务器和因特网实现与客户端软件的信息交互；
中间层包括数据库、数据分析软件和服务器，完成数据存储转发、分析处理和远程访问控制功能；
应用层主要提供友好的远程客户端软件界面，利用Visualstudio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。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述基站和标签均使用UWB信号收发芯片DW1000进行无线信号的相互收发。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述基站和标签中的单片机通过SPI接口实现对DW1000内部各映射寄存器的读写，控制其接收和发送无线信号，同时单片机可以配置DW1000的中断引脚，使其只在某些特定状态下触发单片机中断。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述基站包括通信基站和普通基站，所述通信基站连接有Wifi模块，普通基站不设有Wifi模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述通信基站的主控制器使用STM32F107RCT6型号单片机，Wifi部分采用USR-WIFI232-A型号串口转Wifi模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述通信基站还设有状态指示模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述标签与移动机器人之间使用串口进行通信，所述移动机器人采用单片机控制，且该单片机还连接有转向舵机模块、驱动电机模块和避障传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：所述中间层使用SQLServer2012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.NET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。
9.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：用户通过访问系统服务器，可以浏览移动机器人的各种状态参数信息；同时，用户可以使用客户端软件，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，以满足对生产工艺的需求。
10.根据权利要求1所述的一种基于UWB的室内移动机器人定位与导航系统，其特征在于：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。
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