李波 徐月娜

摘要

位置感知系統(tǒng)是現(xiàn)代服務機器人應用的關鍵要素之一，許多實際應用，如工廠自動化、室內配送，甚至搜索救援場景，都要求機器人能夠在此室內環(huán)境下進行精準導航，并在最少或不需要基礎設施部署的情況下到達移動目標本文研究并提出了一種利用超寬帶（UWB）定位技術的服務機器人室內感知系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)目標定位的新方法。

【關鍵詞】UWB 位置感知 服務機器人

隨著我國服務機器人的快速發(fā)展，服務機器人的腳步己從室外服務、室內定點位置服務逐步轉向室內移動位置服務，而隨著這一發(fā)展，機器人必須要有室內的精準感知系統(tǒng)，才能滿足其發(fā)展的需要。而傳統(tǒng)的室外定位技術借助于全球定位系統(tǒng)（GPS），利用衛(wèi)星和移動對象之間的直接通信，已可以完成精確定位，。傳統(tǒng)的GPS信號由于受到建筑物等的遮擋，無法準確測距，在室內環(huán)境下很難完成精準位置感知，無法達到對機器人定位、導航，追蹤的高精度要求;而且機器人室內位置感知系統(tǒng)基本還處于初期階段，又由于目前室內定位精度較低，多系統(tǒng)融合較差，都使得機器人室內感知系統(tǒng)應用無法廣泛推進?，F(xiàn)有的多種定位導航系統(tǒng)還存在以下缺點：

（1）室內定位導航精度低，現(xiàn)有Wi_Fi、藍牙、Zigbee等定位室內定位導航系統(tǒng)精度一般在3米以上;

（2）室內定位導航抗干擾能力差，現(xiàn)有Wi-Fi、藍牙、Zigbee等定位室內定位導航系統(tǒng)都是采用信號強度來定位，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)需要硬件基礎設施來通信信號，它們限制了可伸縮性。它們側重于高精度而不是易于部署。其雖可實現(xiàn)高精度的位置測量，但對室內整體感知能力較差，基本無法實現(xiàn)在室內整體區(qū)域內的定位、導航和追蹤。紅外還需要可視路徑，不能穿透室內建筑材料，具有一定的弊端。

（4）超寬帶：超寬帶為信號提供了較寬的頻譜和良好的時間分辨率，這有助于在密集的多徑環(huán)境中可靠的定位能力。這些信號的短持續(xù)時間在厘米級內會產生很高的精度。

基于此本文提出了采用在室內搭建超寬帶定位系統(tǒng)，并在服務機器人上加載定位標簽的方式可實現(xiàn)服務機器人在室內的精準位置感知。

1 超寬帶（UWB）位置感知系統(tǒng)

超寬帶高精度實時定位技術是近年來興起的一種無載波、高精度、高可靠性的定位技術。超寬帶（UWB，UltraWideBand）是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。采用UWB進行設備之間的通信，利用其亞納秒級的脈沖信號測量距離可以達到厘米級精度。因此，將超寬帶通信用于空間定位，可以獲得厘米級的定位精度。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，對于安全性、保密性要求較高的應用場所最為適用。

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、網絡傳輸層、應用層三部分。

1.1.1 信息感知層

在定位環(huán)境中，服務機器人上的定位標簽發(fā)射UWB脈沖信號，由經過時鐘同步的接收機接收、放大UWB信號，并將其數(shù)據(jù)信息和接收時間傳送至定位引擎服務器，實現(xiàn)位置信息的感知。定位引擎服務器通過計算出定位標簽信號到達不同接收機的時間差（TDOA），然后采用TDOA定位算法對標簽位置進行解算，實現(xiàn)位置的解算。

1.1.2 網絡傳輸層

網絡傳輸層的作用是通過有線或無線的方式將接收機發(fā)射的超寬帶信號傳輸?shù)叫畔⑻幚砑翱刂破脚_。

1.1.3 應用層

應用層主要是針對使用者而言，為了更為有效、方便的使用采集到的位置信息，應用層有服務中心、電腦客戶端、手機APP等多樣終端，并設計了多種服務機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、定位標簽和定位引擎三大部分，其中定位標簽安裝在服務機器人身上，并采用Wi-Fi接收實時位置信號。

其中定位基站主要是接收來自定位標簽發(fā)射的超寬帶信號，基站將接收時的時間戳信息和接收到的信號——對應，打包后通過有線網絡或無線網絡發(fā)送至中心服務器;

定位標簽安裝在服務機器人頭頂，采用10Hz刷新頻率想定位基站發(fā)送超寬帶信號，并同時將發(fā)送時的時間戳一同發(fā)送;

定位引擎將接收到信號包進行排序，并進行初步濾波，然后通過到達時間差（TDOA）算法進行位置解算，得出初步坐標，濾波平滑后最終得出精準坐標，最后將得到坐標通過Wi-Fi網絡送回給對應的服務機器人，使服務機器人實時得知自身的位置信息，并進行相關動作。

2 算法實現(xiàn)

服務機器人超寬帶室內位置感知系統(tǒng)主要算法包括時鐘同步算法和坐標定位算法：

2.1 時鐘同步算法

為了能準確的計算出定位標簽到定位基站精確距離需要進行各基站間時鐘同步，本文采用全局時鐘同步。

全局同步是采用整個定位區(qū)域同步校準的方式同步的。整個區(qū)域只有一個主基站，其余均為從基站，主基站每隔1s向周圍發(fā)送時鐘校準信號，從基站按事先設定好的編號進行接收，接收后即進行時間校準，并同時向下一級發(fā)送時鐘校準信號，下一級基站也按照設定好的編號進行時鐘校準

2.2 坐標定位算法

為了能較好的得到準確坐標，將得到的定位標簽發(fā)送給四個相鄰定位基站的時間戳信息進行處理，采用Taylor級數(shù)展開法進行位置估算，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位置。對于一組TDOA距差值，在確立初始位置后，將式

進行泰勒展開，去除二階以上分量，轉化為式

其中：用最小二乘法求解出當前位置偏差為：

其中，Q為TDOA距差值的協(xié)方差矩陣。

更新當前估計（x，y）為（x+Δx，y+Δy），重復以上過程，直到△x，△Y足夠小，滿足預先設定的門限ε，即鈿|Δx|+|Δy|<ε，此時的（x，y）為標簽位置。

3 驗證與仿真

通過采用上述算法進行辦公室測試，采用四個定位基站，一臺機器人按紅色區(qū)域行走，通過全局時鐘同步，實現(xiàn)機器人的導航，其行進為藍色，采用10Hz的刷新頻率進行標簽超寬帶信號發(fā)射，其偏差均在25cm以內，說明該方法可以較好的服務于機器人室內位置感知，為機器人在室內定位、導航、追蹤等提供了較好的輔助決策手段。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

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，抗干擾能力強，保密性高等特點，使其具備了：

（1）定位精度高（厘米級定位）;

（2）實時性好（捕捉速度高達60m/s）;

（3）安全性高;

（4）功耗輻射低（不到常規(guī)手機輻射的1%）;

（5）智能化、自動化程度高。

由以上多種特性極大降低了成本和功耗，使其極為適合服務機器人的室內位置感知。

綜上所述，超寬帶室內位置感知系統(tǒng)在服務機器人行業(yè)有著廣泛的應用前景。

參考文獻

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