醫(yī)護(hù)服務(wù)機(jī)器人的UWB定位研究

喻恒 丁亞飛

摘要：醫(yī)護(hù)服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人最重要最基礎(chǔ)的問(wèn)題之一是精確定位問(wèn)題，本文將基于UWB定位算法和系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)護(hù)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的研究，論述了UWB無(wú)線通信的定位原理，建立了機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型和定位方案，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的室內(nèi)定位，為后期的自主導(dǎo)航創(chuàng)造前提條件。

關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人；超寬帶定位；TOA

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）29-0197-02

Abstract：Precise positioning is one of the most important problems in the research of mobile robot for medical service.This paper will study the application of UWB location algorithm in medical mobile service robot.Based on the discussion of UWB positioning principle， established the positioning system and mathematical model of robot so then The indoor positioning of robot is realized .The method creates prerequisites for later autonomous navigation.

Key words： Service robot； UWB Location；TOA

隨著人口不斷增加以及老齡化的發(fā)展，我國(guó)醫(yī)療服務(wù)行業(yè)的壓力越來(lái)越大，為了解決病患服務(wù)需求不斷增加和醫(yī)療工作人員數(shù)量增速緩的矛盾，降低醫(yī)生及護(hù)士工作量，進(jìn)一步減輕相關(guān)工作壓力，代替人完成危險(xiǎn)易傳染醫(yī)療環(huán)境的作業(yè)任務(wù)，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)在近年來(lái)開(kāi)始逐步進(jìn)行研究，其中室內(nèi)自主巡視查房類機(jī)器人開(kāi)始應(yīng)用到醫(yī)護(hù)日常輔助工作中。專門用于醫(yī)護(hù)服務(wù)的機(jī)器人研究主要包括精確定位和導(dǎo)航、機(jī)構(gòu)設(shè)置、信息融合、能源管理以及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，其中精確定位是室內(nèi)自主移動(dòng)機(jī)器人的最基礎(chǔ)的研究?jī)?nèi)容。本文通過(guò)分析，將超寬帶（UWB，Ultra-Wide Band）室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)應(yīng)用于面向醫(yī)院的醫(yī)護(hù)服務(wù)機(jī)器人的定位，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)的實(shí)時(shí)定位，機(jī)器人在醫(yī)院的病房的復(fù)雜環(huán)境下能夠自主移動(dòng)到指定病床，實(shí)現(xiàn)病房巡視、送藥。該系統(tǒng)將TOA定位結(jié)合UWB，通過(guò)建立坐標(biāo)模型和定位算法，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的精確定位。

1 UWB定位技術(shù)

1.1 UWB技術(shù)概述

UWB技術(shù)作為一種高速率高帶寬的短距離無(wú)線通信技術(shù)，越來(lái)越受到物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)科研人員的關(guān)注。超寬帶（UWB）技術(shù)相比較于常見(jiàn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)如藍(lán)牙、WIFI、ZigBee等，其特有的多址技術(shù)和調(diào)制方式使得帶寬很寬、數(shù)據(jù)傳輸速率高、較低的功耗以及很好的安全性等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)始研究將UWB應(yīng)用在近距離精確室內(nèi)定位，獲得比較好的效果。其亞納秒級(jí)超窄脈沖在無(wú)線定位特別是室內(nèi)無(wú)線定位章具有較高的優(yōu)勢(shì)。

1.2 UWB定位方法

利用UWB定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，須要在室內(nèi)搭建若干基站網(wǎng)絡(luò)，確定移動(dòng)機(jī)器人和各個(gè)參考基站之間的位置關(guān)系，通過(guò)建立坐標(biāo)模型實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的定位算法，再利用解析幾何的數(shù)學(xué)方法將測(cè)得的參數(shù)通過(guò)測(cè)算確定移動(dòng)機(jī)器人位置信息[2]。UWB的定位方法包括基于接收信號(hào)強(qiáng)度法（RSSI）、基于到達(dá)角度定位法（AOA）、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）[3]。RSSI根據(jù)信號(hào)接收強(qiáng)度隨著接受距離的增大而減弱的原理，綜合兩者具體函數(shù)關(guān)系，確定距離從而進(jìn)行定位。AOA是計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)相對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的具體方位即偏移角度，在結(jié)合三角測(cè)量法測(cè)算具體定位信息。TOA則是根據(jù)信號(hào)從基站節(jié)點(diǎn)到達(dá)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)消耗的時(shí)間計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過(guò)計(jì)算多個(gè)基站到標(biāo)簽的距離，利用解析幾何方法實(shí)現(xiàn)定位。相比較AOA和RSSI，TOA方法更能發(fā)揮UWB技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)，特別是UWB信號(hào)亞納秒級(jí)超窄脈沖的特點(diǎn)，可以達(dá)到很高的精確度。本文采用的是TOA算法。

2 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）

基于 TOA 的無(wú)線定位方法原理是：確定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A，B。將節(jié)點(diǎn)A設(shè)置為發(fā)送節(jié)點(diǎn)。B設(shè)置為接收節(jié)點(diǎn)，信號(hào)從A傳輸?shù)紹需要一定的時(shí)間，系統(tǒng)可以根據(jù)從節(jié)點(diǎn)間信號(hào)傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位置和距離建立三角模型，利用三角定位法實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位。

TOA根據(jù)測(cè)距量程可以分為有兩種：雙程測(cè)距和單程測(cè)距。因?yàn)閁WB發(fā)射的是脈沖信號(hào)，接近光速的無(wú)線信號(hào)，可以在極短時(shí)間內(nèi)獲得測(cè)量值，因此單程測(cè)量和雙程測(cè)量在測(cè)量效率上相差無(wú)幾，但是由于雙程測(cè)量的精度高、誤差小，所以TOA更多的使用雙程測(cè)距。

雙程測(cè)距（TWR，Two Way Ranging）的原理是各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)利用接收與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的通信信號(hào)往返的路程時(shí)間來(lái)估算節(jié)點(diǎn)間的距離值。發(fā)送節(jié)點(diǎn)A在初始時(shí)刻發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)B規(guī)定信息的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包含時(shí)間信息，節(jié)點(diǎn)B接收到信號(hào)數(shù)據(jù)包，提取出數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息，同時(shí)回傳同樣包含時(shí)間信息的數(shù)據(jù)信號(hào)給節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)A以接收到回復(fù)包時(shí)間確定傳輸完成，節(jié)點(diǎn)A根據(jù)收到的時(shí)間信息數(shù)據(jù)包來(lái)算出傳播時(shí)間，從而可計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離值。公式如下：

其中Tr表示因設(shè)備反應(yīng)造成的誤差時(shí)間，T1表示A節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包的時(shí)刻，d表示兩節(jié)點(diǎn)之間距離，c表示光速。在具體的測(cè)量計(jì)算中，可通過(guò)提前確定Tr值方式以及多次測(cè)量取平均值的方式進(jìn)一步減小測(cè)量誤差。

3 系統(tǒng)模型及算法

機(jī)器人定位精度和準(zhǔn)確度不僅取決于各種定位模型和算法，還包括其所采用的傳感器種類和性能。常見(jiàn)的應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的傳感器有CCD傳感器、激光雷達(dá)、測(cè)距超聲波、紅外測(cè)距、六軸加速度傳感器、陀螺儀、指南針等[5]。本文系統(tǒng)使用DW1000傳感器，該傳感器基于UWB通信，可通過(guò)建立基站和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，使用方便，性能穩(wěn)定。

3.1 UWB模型

首先在室內(nèi)空間安裝基站節(jié)點(diǎn)，要求通信信號(hào)可以覆蓋整個(gè)室內(nèi)，理論上安裝位置可以隨意，考慮到UWB通信距離在10m以內(nèi)，為了更好的獲取通信信號(hào)，獲得準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，具體安裝位置可選擇室內(nèi)屋頂角落處，基站之間距離相距3-5米，形成等邊三角形。考慮到機(jī)器人只在地面移動(dòng)，因此可以不考慮高低空間定位。將一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)簽固定于機(jī)器人，空間安放的基站發(fā)射UWB信號(hào)，機(jī)器人所載標(biāo)簽接收信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每個(gè)基站信號(hào)傳輸?shù)綐?biāo)簽的時(shí)間，可算出標(biāo)簽分別距3個(gè)基站的距離，再利用結(jié)合基站的三角形分布，利用解析幾何測(cè)算機(jī)器人在室內(nèi)相對(duì)位置和方位，隨著機(jī)器人的移動(dòng)，可選擇空間信號(hào)最好的三個(gè)基站進(jìn)行計(jì)算。

3.2 坐標(biāo)模型及定位算法

UWB定位可以實(shí)現(xiàn)三維定位，也就是不僅可以確定機(jī)器人在xy坐標(biāo)還有標(biāo)簽的空間高度，但是考慮到機(jī)器人移動(dòng)只限于地面平面，因此以室內(nèi)固定好的基站作為參考系，建立的一個(gè)空間坐標(biāo)系統(tǒng)，但是最終確定一個(gè)距離和方位的二維坐標(biāo)。如圖：

定義室內(nèi)3個(gè)基站分別為A，B，C，相互之間距離均為a；定義BC邊的重點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)O，BC邊所在直線是x軸，BC邊的高所在直線為y軸，考慮到機(jī)器人方位問(wèn)題，確定y軸正向即BC到節(jié)點(diǎn)A方向設(shè)置為正北方向，BC向?yàn)檎龞|方向，此時(shí)機(jī)器人位置坐標(biāo)為T（x，y，z），定義E為三角形ABC的中心，T到三角形中心的距離計(jì)算公式如下：

如圖1，T在等邊三角形所在平面的投影T′。d1，d2，d3分別為標(biāo)簽到ABC三個(gè)基站的距離即TA，TB，TC。由上式計(jì)算確定了距離，同時(shí)還需要確定機(jī)器人的朝向，以控制移動(dòng)方向，因此還需要確定方位角，，因?yàn)閥軸的正方向規(guī)定為正北方，因此設(shè) T′E與y軸的夾角等效為機(jī)器人方位角，由圖1可知T′為標(biāo)簽T在等邊三角形所在平面的投影點(diǎn)，T′E是投影點(diǎn)與中心E點(diǎn)的連線，∠T′EO就是機(jī)器人的方位角，具體計(jì)算公式如下：

由上式可確定標(biāo)簽的參考位置坐標(biāo)為距離和方位角的一個(gè)坐標(biāo)（L，θ），由上文分析，機(jī)器人移動(dòng)是在一個(gè)平面，因此得出一個(gè)2維坐標(biāo)位置信息，從而可以確定出機(jī)器人在室內(nèi)的具體位置，再結(jié)合機(jī)器人內(nèi)置的方向傳感器，同時(shí)可確定機(jī)器人的正面方向，從而實(shí)現(xiàn)定位。

3.3 移動(dòng)方案

通過(guò)上述的定位模型可以獲得機(jī)器人瞬時(shí)的定位坐標(biāo)，根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)和下一位置坐標(biāo)可以控制機(jī)器人移動(dòng)路徑，具體方案為：1、建立室內(nèi)地圖模型，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人工作地點(diǎn)主要為病房，根據(jù)日常工做路徑規(guī)劃移動(dòng)軌跡，移動(dòng)軌跡為機(jī)器人工作路徑的一系列坐標(biāo)集合。2、確定機(jī)器人坐標(biāo)后，根據(jù)下一個(gè)坐標(biāo)的位置，計(jì)算在x軸，y軸的偏移量，結(jié)合方位角調(diào)整機(jī)器人移動(dòng)方向和速率，使坐標(biāo)和下一坐標(biāo)逐步吻合，然后進(jìn)行下一坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位自主移動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)醫(yī)護(hù)服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)提出了一種基于UWB醫(yī)護(hù)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人定位方法，該系統(tǒng)適用于醫(yī)院、病診所等室內(nèi)定位，測(cè)算簡(jiǎn)單，響應(yīng)快速。系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)算出機(jī)器人的當(dāng)前位置信息，可以根據(jù)規(guī)定好的下一個(gè)路徑坐標(biāo)進(jìn)行方位姿態(tài)和移動(dòng)動(dòng)作調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航。本文所應(yīng)用的UWB定位方法將基站安裝在室內(nèi)，并以此建立參考坐標(biāo)，由于受房屋結(jié)構(gòu)局限，測(cè)量精度不夠，同時(shí)路徑需要人為設(shè)置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)路徑的自動(dòng)規(guī)劃，后期還需要在本定位方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討室內(nèi)地圖建模和路徑自動(dòng)規(guī)劃、自主動(dòng)態(tài)避障等功能，以便實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

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