基于UWB的ROS機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計

曹宇

（上海城建職業(yè)學院，上海 201415）

0 引言

許多室內(nèi)應(yīng)用場合需要對機器人精確定位，其精度甚至需達到厘米級別。定位技術(shù)常用的有GPS、RFID、藍牙、Wi-Fi、ZigBee、UWB 等。其中 GPS 室外效果良好，但在室內(nèi)，由于建筑物阻擋，無法定位。而RFID、藍牙、Wi-Fi、ZigBee和 UWB都可進行室內(nèi)定位。若剔除成本因素，在定位精度、穩(wěn)定性或工作距離上來看UWB更為勝出。因此在設(shè)計室內(nèi)機器人精確路線行走定位時，采用UWB技術(shù)比較合適。

UWB（Ultra-WideBand）使用亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確定位，可進行厘米級別精度定位。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、消耗電能小、發(fā)送功率小以及高安全性等諸多優(yōu)勢。

機器人在工業(yè)上和服務(wù)行業(yè)上發(fā)展空前。行業(yè)不同，機器人的應(yīng)用場景不一樣；要求不同，機器人的控制方式也會有差異。此處使用的ROS機器人小車，采用四個電機驅(qū)動，以更好的在任意方向行駛。

本系統(tǒng)研究的是：ROS車上攜帶UWB標簽，在UWB基站覆蓋之下，讓ROS車在室內(nèi)隨意行進，通過構(gòu)建的UWB定位系統(tǒng)，實時獲取ROS車準確的室內(nèi)位置。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)整體由三部分組成：UWB定位系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)。

UWB定位系統(tǒng)，為了實現(xiàn)二維定位至少需要三個基站一個標簽形成UWB定位系統(tǒng)，但是這種配置需要有個前提條件，三個基站必須位于同一水平位置上，這對部署提出了很高的要求，因此實際系統(tǒng)采用四個基站和一個標簽。其中0號基站負責將定位信息傳給上位機系統(tǒng)，標簽則放在ROS車上用以定位。

上位機系統(tǒng)，即服務(wù)器，讀取UWB定位系統(tǒng)的坐標位置，并發(fā)目標位置給ROS下位機；

下位機系統(tǒng)，即ROS機器人小車，接收上位機所發(fā)目標位置，調(diào)用API控制電機行進，另外將傳感器信息返回給上位機。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 UWB 模組

UWB模組選擇DecaWave公司的DW1000芯片，符合IEEE802.15.4-2011超寬帶標準，定位最小誤差可在10厘米以內(nèi)，芯片功耗低，可做雙向測距和定位。

構(gòu)建的UWB系統(tǒng)由4個基站和1個標簽組成，實現(xiàn)室內(nèi)精準定位，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 ROS機器人小車

上位機通過Wi-Fi模組，獲取標簽與基站的信息。在圖1中可見，基站0收集標簽信息并發(fā)送到上位機中。

2.2 ROS 機器人小車

選用型號為UltraAI ROS的ROS機器人小車。其主控設(shè)備是x86工控機，具有數(shù)據(jù)實時處理性能，滿足運行ROS系統(tǒng)的功能要求；具有多種接口，可連接各類傳感器進行通信。ROS車采用四個電機驅(qū)動，STM32作為電機驅(qū)動主控。工控機的USB接口與激光雷達相連，使ROS車具備了掃描本地地圖和識別障礙物的功能。同時工控機還接入了雙目深度攝像頭，使得ROS車還具備3D物體感知功能。這些外設(shè)使得ROS車具備了室內(nèi)自動駕駛能力。為此只要在ROS車上加上UWB標簽，就可在其行駛中進行定位研究。

3 UWB定位原理

3.1 測距原理

UWB常用TOF（Time of Fly）方式計算電磁波傳輸時間，通過傳輸?shù)臅r間換算成距離[1]。標簽A和基站B之間測距，如圖3所示：A在Ta時刻發(fā)出信號，經(jīng)過T時段后，B在Tb時刻收到；B在Tc時刻發(fā)回信號，經(jīng)過T時段后，A在Td時刻收到。其中Ta和Td會記錄在A寄存器中，Tb和Tc記錄在B寄存器中。對同時鐘頻率A、B設(shè)備采用時鐘偏移量方法，可得出單程飛行時間T=[（Td-Ta）-（Tc-Tb）]/2，即為A、B間電磁波傳輸所用時間。所以A、B間距離D=電磁波傳速×[（Td-Ta）-（Tc-Tb）]/2。

圖3 UWB測距

圖4 UWB定位

3.2 定位原理

在UWB 測距原理基礎(chǔ)上，可使用TOA（Time of Arrival，到達時間）定位方法測量：用前述UWB測距原理，計算出標簽與三個不同基站間的距離，最后通過三邊定位算法得到標簽坐標值[2]。如圖4所示，以三基站的位置為原點，標簽到三基站的距離為半徑，畫三個圓，三圓交點就是標簽的坐標。

當測試結(jié)果不準時，會出現(xiàn)三圓未必有交點，或者產(chǎn)生兩個交點，或者三圓相交后形成區(qū)域等情況。需在程序中用糾正半徑，或者求交點平局值等方法解決[3]。

4 UWB定位系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)定位原理實現(xiàn)具體代碼，可參考UWB產(chǎn)品官方源程序。這里用流程圖來簡要說明與定位相關(guān)的幾個部分：UWB標簽程序和UWB基站程序。

4.1 UWB標簽程序

標簽程序，用于發(fā)送測量命令給各個基站，并測量和各個基站（1/2/3基站）的距離后發(fā)送給基站0。以上循環(huán)進行。見圖5所示。

圖5 標簽程序流程

4.2 UWB 基站程序

作為參考點的基站負責響應(yīng)標簽的測距響應(yīng)命令，并將測量結(jié)果封裝到響應(yīng)幀中，通過無線再發(fā)送給標簽。見圖6所示。

圖6 UWB基站程序流程

4.3 UWB基站0程序

基站0程序除了作為參考點響應(yīng)標簽的測量命令之外（這部分不再贅述），實時接收標簽發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)緩存后通過串口發(fā)送給上位機。以上循環(huán)進行。見圖7所示。

5 系統(tǒng)測試

上述代碼實現(xiàn)后，使用UWB產(chǎn)品官方提供的測試軟件，適配室內(nèi)地圖后，可看到如圖7效果，0/1/2/3是4個基站，中間是ROS車運行定位軌跡顯示，符合實際情況。

圖7 UWB基站0程序

圖8 室內(nèi)ROS車運行定位軌跡

6 結(jié)語

采用UWB技術(shù)，實現(xiàn)了對行進中ROS機器人小車的精確定位，測得精度為0.1m，與基于激光SLAM的機器人定位導航處于同一量級。在此基礎(chǔ)上，接下來可與SLAM、深度攝像頭等聯(lián)合使用，進一步提高ROS車的定位精度和智能化水平。