基于UWB的自主跟隨機(jī)器人定位方法 

摘要：自主跟隨機(jī)器人中的定位是移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域中最基本、最重要的問題之一。移動(dòng)機(jī)器人通過攜帶的傳感器獲取自身狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，從而實(shí)現(xiàn)自主定位。對現(xiàn)有定位技術(shù)進(jìn)行綜述，提出基于UWB的自主跟隨機(jī)器人定位方法及系統(tǒng)開發(fā)，利用DW1000建立自主跟隨機(jī)器人定位系統(tǒng)模型，并通過LabVIEW進(jìn)行定位算法程序編寫，實(shí)現(xiàn)跟隨機(jī)器人的定位。

關(guān)鍵詞：自主跟隨機(jī)器人；定位；UWB；DW1000；LabVIEW

DOIDOI：10.11907/rjdk.161900

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009012702

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡介作者簡介：方晨晨（1994-），女，安徽桐城人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程。

0引言

隨著科技和社會(huì)發(fā)展，自主跟隨機(jī)器人越來越受到關(guān)注。目前，自主跟隨機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)之一就是定位，定位是機(jī)器人完成諸如路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航等復(fù)雜任務(wù)的前提，是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有定位技術(shù)有GPS、藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)、RFID技術(shù)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、超聲波定位等。其中，GPS是目前應(yīng)用最廣泛的室外定位技術(shù)，其優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號免費(fèi)。但GPS接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)，信號受建筑物的影響而大大衰減，定位精度較低，所以不適用于室內(nèi)定位；藍(lán)牙、RFID定位技術(shù)雖然受環(huán)境干擾較小，但作用距離短，通信能力不強(qiáng)，不便于整合到其它系統(tǒng)中；紅外線技術(shù)功耗較大，且常常受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實(shí)用性較差；無線局域網(wǎng)絡(luò)成本較低，但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，WiFi收發(fā)器都只能覆蓋較小范圍，而且易受環(huán)境中其它信號的干擾，從而降低了精度，定位器能耗也較高；超聲波定位精度可達(dá)厘米級，精度比較高，但超聲波在傳輸過程中衰減明顯，從而影響其定位有效范圍，且成本較高。

和其它定位相比較，UWB技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于低功耗、低成本、抗多徑能力和穿透能力強(qiáng)，另外，UWB的無線通信空間容量達(dá)1Mbit/（s·m2），遠(yuǎn)優(yōu)于其它系統(tǒng)[1]，適用于室外和室內(nèi)定位。本文提出一種基于UWB的定位方法和系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自主跟隨機(jī)器人相對于人的定位，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟隨人的目的。

1UWB定位技術(shù)

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達(dá)1 000Mbps以上）、發(fā)射功率較低、穿透能力較強(qiáng)，并且基于極窄脈沖的無線定位技術(shù)，無載波。無線定位技術(shù)是一種用來判斷移動(dòng)用戶位置的測量和計(jì)算方法，即定位算法[2]。無線定位算法可分為基于距離的定位算法和與距離無關(guān)的定位算法兩類。與距離無關(guān)的定位算法[3]節(jié)點(diǎn)硬件要求較低，但精度低。UWB定位一般采用基于距離的定位算法[4]。目前，最常用的定位算法主要有：信號到達(dá)角度定位（AOA）、信號強(qiáng)度分析法（RSS）、到達(dá)時(shí)間定位（TOA）、到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）等。

（1）到達(dá)角度定位（AOA）和信號強(qiáng)度分析法（RSS）。

基于信號到達(dá)角度的定位算法是一種典型的基于測距的定位算法，通過硬件設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的相對方位或角度，再利用三角測量法或其它方式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。RSS根據(jù)信號的傳播模型，利用信號接收強(qiáng)度與信號傳播距離的關(guān)系，對目標(biāo)進(jìn)行定位，此方法對信道環(huán)境十分敏感。

（2）到達(dá)時(shí)間定位（TOA）。

到達(dá)時(shí)間定位（TOA）計(jì)算測量信號從發(fā)射端傳至接收端所需的時(shí)間，再根據(jù)信號傳播的速度計(jì)算出發(fā)射端與接收端之間的距離。以每一個(gè)發(fā)射端作為圓心，以發(fā)射端與接收端的距離為半徑作圓或球（二維平面作圓，三維平面作球），圓或者球的交點(diǎn)即為被測點(diǎn)的位置。TOA要求接收端與發(fā)射端的時(shí)間同步。

（3）到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）。

到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）是根據(jù)發(fā)射端發(fā)出信號到達(dá)不同基站的時(shí)間差，計(jì)算出移動(dòng)臺到基站間的距離。由移動(dòng)臺到兩個(gè)基站的距離差得到一條雙曲線，要求解目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)至少需要3個(gè)基站雙曲線方程組。TDOA方法不需要基站與移動(dòng)臺時(shí)鐘同步，只需要基站之間的時(shí)鐘同步即可。

2DW1000

DecaWave的DW1000是世界上第一個(gè)單片機(jī)UWB無線收發(fā)器，是ScenSor無線室內(nèi)定位系列芯片的第一款產(chǎn)品，精度高，能耗小，集成了射頻無線電設(shè)計(jì)所需的全部元器件，包括DW1000定位芯片、天線、平衡-不平衡變換器、石英晶體及無源元件。

DW1000會(huì)向信號讀取器發(fā)送無線信號，通過計(jì)算信號的傳輸時(shí)間來確定芯片位置，時(shí)間越長則說明距離越遠(yuǎn)，其誤差不超過100mm。DW1000的最遠(yuǎn)傳輸距離為450m（直視距離，非直視距離為45m）。芯片功耗很低，電池可使用數(shù)年。考慮到其精度，這種芯片目前可作為室內(nèi)定位技術(shù)RFID及WiFi的補(bǔ)充。

3系統(tǒng)模型及算法

機(jī)器人定位方式取決于所采用的傳感器。移動(dòng)機(jī)器人常用的定位傳感器有里程計(jì)、攝像機(jī)、激光雷達(dá)、超聲波、紅外線、微波雷達(dá)、陀螺儀、指南針、速度或加速度計(jì)、觸覺或接近覺傳感器等[5]。本文采用DW1000傳感器，通過UWB定位技術(shù)中的到達(dá)時(shí)間（TOA）定位算法，計(jì)算出人對于機(jī)器人的相對位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對人的跟隨。

3.1系統(tǒng)模型

如圖1所示，移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)或室外環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人上安裝有3個(gè)DW1000傳感器作為基站，人和機(jī)器人處在同樣環(huán)境中，身上穿戴有一個(gè)DW1000傳感器作為標(biāo)簽，假設(shè)人初始時(shí)刻已被機(jī)器人鎖定。3個(gè)基站按等邊三角形三個(gè)頂點(diǎn)位置固定在移動(dòng)機(jī)器人上，用來發(fā)射UWB信號，標(biāo)簽接收到信號后，通過TOA算法可算出標(biāo)

簽分別距3個(gè)基站的距離，并通過幾何運(yùn)算得到人相對于

機(jī)器人的位置。

3.2坐標(biāo)模型及定位算法

機(jī)器人和人所處的環(huán)境是三維空間，以機(jī)器人本身為參考系建立一個(gè)局部坐標(biāo)系統(tǒng)。如圖2所示，定義3個(gè)基站位置距離AB、BC、AC均為a；定義BC邊上的高所在延長線為y軸，y軸正向與機(jī)器人自身的方向一致；3個(gè)基站構(gòu)成的等邊三角形AB邊的中點(diǎn)為O（0，0，0）；標(biāo)簽坐標(biāo)為M（x，y，z），其中z為標(biāo)簽到基站所在水平面的高度；等邊三角形的中心為H。

根據(jù)3個(gè)基站到標(biāo)簽的距離，通過解析幾何可以算出標(biāo)簽M在等邊三角形所在平面的投影M點(diǎn)到等邊三角形中心的距離：

L=MH=（d14+d24+d34-d12d22-d12d32-d22d32）÷（3a2）（1）

標(biāo)簽M在等邊三角形所在平面的投影M′點(diǎn)與等邊三角形中心H點(diǎn)的連線，即MH與y軸的夾角即方位角：

θ=∠MHA=arctan（3（d32-d22）÷（-2d12+d22+d32））（2）

由此，人的位置坐標(biāo)可以表示為（L，θ），即確定出人相對于機(jī)器人的位置信息，所得位置誤差范圍在±100mm以內(nèi)，位置信息基于機(jī)器人和人直接計(jì)算，不存在累積誤差。

3.3跟隨方案

利用3.2節(jié)得到的人相對于機(jī)器人的坐標(biāo)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跟隨的步驟為：①機(jī)器人根據(jù)人的位置坐標(biāo)，解算出人在以機(jī)器人本身為參考坐標(biāo)系中x，y方向的偏移量；②機(jī)器人在x方向上移動(dòng)，最終使人在坐標(biāo)系中x方向的偏移量為零；③機(jī)器人在y方向上移動(dòng)，最終使人在坐標(biāo)系中y方向的偏移量為零；④當(dāng)人在坐標(biāo)系中x，y方向的偏移量都為零時(shí)，即機(jī)器人此時(shí)到達(dá)人的位置，從而實(shí)現(xiàn)跟隨。

4軟件設(shè)計(jì)

通過理論計(jì)算得到人相對于機(jī)器人的位置后，要實(shí)現(xiàn)跟隨機(jī)器人的定位，需將定位算法寫成程序從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。本文軟件系統(tǒng)基于Labview編寫的程序，經(jīng)過調(diào)試后可以下載到機(jī)器人控制器中運(yùn)行。

4.1LabVIEW軟件平臺

LabVIEW是NI公司開發(fā)的圖形化編程開發(fā)平臺，具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與顯示功能。LabVIEW不同于基于文本的編程語言（如C，C++等），是一種圖形編程語言——通常稱為G編程語言，其編程過程為通過圖形符號描述程序的行為[6]，編程簡單，使用靈活，易于理解，采用LabVIEW圖形化的編程方式來實(shí)現(xiàn)定位算法非常簡便。

4.2程序設(shè)計(jì)

在編寫定位算法核心程序外，考慮到采用DW1000測距時(shí)3個(gè)基站到標(biāo)簽的距離都會(huì)產(chǎn)生cm級的誤差，所以編程時(shí)采用隨機(jī)數(shù)生成厘米級隨機(jī)誤差，使得實(shí)驗(yàn)效果更接近于真實(shí)情況。算法實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3基于Labview的定位算法程序

5結(jié)語

本文提出了一種基于UWB的自主跟隨機(jī)器人定位方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于室外和室內(nèi)定位，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且所得位置信息是基于機(jī)器人和人直接計(jì)算，不存在累計(jì)誤差。解算出人相對于機(jī)器人的位置信息后，后續(xù)可以根據(jù)人的坐標(biāo)進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對人的跟隨。本文定位方法基站安放于機(jī)器人本體上，因此局限于機(jī)器人本體的大小，測量精度不夠，有一定局限性，還需改進(jìn)。本文重點(diǎn)在于跟隨機(jī)器人的定位系統(tǒng)及方法，因此跟隨方法未加以詳述，可根據(jù)本文的思想加以改進(jìn)創(chuàng)新，以便實(shí)現(xiàn)最佳跟隨效果。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）