陳新興 趙英寶 劉慧賢 楊雪松 張運(yùn)慶

摘要：護(hù)理機(jī)器人大部分時(shí)間在室內(nèi)工作，由于室內(nèi)環(huán)境比室外復(fù)雜且定位環(huán)境惡劣，因此需要具有很高的定位精度。

為了更好地解決護(hù)理機(jī)器人的定位問(wèn)題，建立了一種基于超寬帶（UWB）的高精度護(hù)理機(jī)器人定位系統(tǒng)。首先，采用基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的定位模型，不需標(biāo)簽與基站之間的時(shí)鐘同步，只需3個(gè)基站時(shí)鐘同步來(lái)獲取護(hù)理機(jī)器人上的標(biāo)簽距離各個(gè)基站的位置信息;其次，將收集到的位置信息通過(guò)室內(nèi)局域網(wǎng)傳輸給利用Matlab搭建的上位機(jī)系統(tǒng);最后，在上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行偏最小二乘法線性回歸，再通過(guò)遺傳算法進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化得到精確的位置信息，并進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)的定位精度相比于TDOA模型直接定位有較大的提高，能達(dá)到護(hù)理機(jī)器人的定位要求?；诔瑢拵Ъ夹g(shù)的定位方法還可以應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流小車等其他室內(nèi)移動(dòng)設(shè)備的高精度定位。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人控制;超寬帶;定位;偏最小二乘法;遺傳算法;護(hù)理機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx03010

Abstract：

Nursing robots work indoors most of the time，

high positioning accuracy of the nursing robot is needed due to the more complex and poorer positioning working environment indoors compared with that of outdoors.

In order to better solve the problem of the positioning system of nursing robots，

a highprecision nursing robot positioning system based on ultrawideband （UWB） was established in this paper. Firstly， there was no need of clock synchronization between the tag and the base station， and only three base station clocks were demanded to be synchronized to obtain the position information of the tag on the nursing robot from each base station by using the positioning model based on time of arrival. Then， the collected position information was transmitted to the host computer system built by Matlab through the indoor local area network. Finally， partial least squares linear regression was performed in the host computer system， and the data was further optimized by genetic algorithm to obtain accurate position information. Simulation analysis shows that the positioning accuracy with this system is greatly improved compared to the direct positioning with TDOA model， which can meet the positioning requirements of nursing robots. The positioning system based on UWB can also be applied to highprecision positioning of other indoor equipment such as the mobile dolly of warehousing logistics.

Keywords：

robot control;UWB; positioning; partial least squares; genetic algorithm; nursing robot

人口老齡化已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題[1]。在中國(guó)社會(huì)護(hù)理力量嚴(yán)重不足、護(hù)理行業(yè)面臨著巨大壓力的情況下，迫切需要護(hù)理方面的智能設(shè)備幫助對(duì)老年人的身心健康?，F(xiàn)有的護(hù)理機(jī)器人定位技術(shù)盡管在一定的環(huán)境下有較好的性能，但是由于護(hù)理機(jī)器人大部分時(shí)間都是工作在室內(nèi)，室內(nèi)的環(huán)境相對(duì)室外來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，定位環(huán)境極其惡劣，因此需要具有很高的定位精度[2]。傳統(tǒng)的定位方式主要包括紅外線定位、超聲波定位、藍(lán)牙定位、WIFI定位等。這些定位方式各有優(yōu)點(diǎn)，但也有明顯的短板，詳見(jiàn)表1。在現(xiàn)有的無(wú)線定位技術(shù)中，UWB（超寬帶）無(wú)線電相比于其他定位方式具有很大的優(yōu)勢(shì)，首先UWB信號(hào)的頻譜范圍比大多數(shù)定位技術(shù)的頻譜范圍要寬，不但具有特別小的發(fā)射功率，同時(shí)還具有極強(qiáng)的穿透力。經(jīng)多年研究，UWB技術(shù)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，已被應(yīng)用于室內(nèi)定位方案。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于超寬帶（UWB）定位的護(hù)理機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)UWB確定位置信息，

利用Matlab的上位機(jī)環(huán)境優(yōu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)護(hù)理機(jī)器人的精確定位。

1護(hù)理機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的護(hù)理機(jī)器人系統(tǒng)包含了UWB定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線通信系統(tǒng)等，如圖1所示。

護(hù)理機(jī)器人本體部分主要包括可移動(dòng)的底盤(pán)和外殼，底部采用大輪與小輪呈90°的全向輪來(lái)使護(hù)理機(jī)器人進(jìn)行直線行駛或者進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。護(hù)理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以STM32F10C8T6作為核心控制器，與UWB定位系統(tǒng)、無(wú)線通信模塊等通過(guò)RS232接口進(jìn)行連接。本文主要對(duì)UWB定位系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2超寬帶定位系統(tǒng)

2.1UWB定位技術(shù)

超寬帶[36]是一種不使用載波的無(wú)線通信技術(shù)，它利用間隔時(shí)間（小于1 ns）極短的能量脈沖，通過(guò)調(diào)制與排序的方法將脈沖擴(kuò)展到所需的頻率范圍內(nèi)。超寬帶具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：傳輸速率高;發(fā)射功率小于1 mW就可以實(shí)現(xiàn)通信要求，這一點(diǎn)也就大大降低了對(duì)電源的要求，并且穿透能力極強(qiáng)，具有一定的抗干擾能力。

2.2UWB定位系統(tǒng)建立

建立了一種UWB定位系統(tǒng)，系統(tǒng)主要有4個(gè)基站和1個(gè)定位標(biāo)簽組成，本文所選用的通信模塊是DecaWace公司生產(chǎn)的DWM1000定位模塊[7]。DWM1000模塊定位芯片是目前世界上

精度最高的室內(nèi)定位芯片，同時(shí)有著極其強(qiáng)大的抗多徑衰落能力，在高衰落的位置環(huán)境中還可以進(jìn)行很可靠的通信。將定位的4個(gè)基站放在房間內(nèi)的4個(gè)固定位置，并將標(biāo)簽安放在護(hù)理機(jī)器人的頂部位置，為護(hù)理機(jī)器人的定位收集原始數(shù)據(jù)。

2.3UWB定位模型建立

本設(shè)計(jì)采用了TDOA（到達(dá)時(shí)間差）算法[8]來(lái)求解定位標(biāo)簽的位置。TDOA定位方法的工作原理是通過(guò)檢測(cè)UWB信號(hào)從標(biāo)簽到達(dá)2個(gè)基站的絕對(duì)傳播時(shí)間的相差值，而不是利用飛行時(shí)間來(lái)確定標(biāo)簽的位置信息，這種方式降低了標(biāo)簽與基站時(shí)鐘同步的要求。利用3個(gè)基站的方式能夠得到3個(gè)TDOA，得到標(biāo)簽與固定的基站距離的差值。TDOA信號(hào)傳輸模型如圖2所示。

圖2中t1，t2，t3分別是指UWB信號(hào)從護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽位置到達(dá)基站1、基站2、基站3的傳播時(shí)間，如果護(hù)理機(jī)器人所在位置的標(biāo)簽坐標(biāo)設(shè)為（x，y），那么，基站1的坐標(biāo)為（X1，Y1），基站2的坐標(biāo)為（X2，Y2），基站3的坐標(biāo)為（X3，Y3）。利用TDOA的測(cè)量值可以建立如式（1）所示護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽位置的方程組。求解此方程組即可得到護(hù)理機(jī)器人的標(biāo)簽坐標(biāo)。

2.4基于偏最小二乘法的遺傳算法

TDOA定位的方法又被稱為雙曲線定位方法，本文2.3節(jié)已經(jīng)介紹了TDOA定位方法，如式（1）所示方程組是非線性方程組，而直接利用TDOA算法解出的位置信息誤差較為嚴(yán)重，不足以達(dá)到護(hù)理機(jī)器人的定位精度。因此，在TDOA模型基礎(chǔ)上提出了偏最小二乘法的遺傳算法對(duì)位置信息進(jìn)行研究驗(yàn)證，得到了更為精確的護(hù)理機(jī)器人上的標(biāo)簽信息。PLSGA算法的主要原理是根據(jù)偏最小二乘法[9]建立模型，通過(guò)計(jì)算得到與真實(shí)位置信息較為接近的初始位置信息，再通過(guò)遺傳算法[1011]的選擇、交叉、變異等一些遺傳學(xué)的操作來(lái)尋找最優(yōu)解，直到所需要的結(jié)果。遺傳算法具有良好的全局搜索能力[12]，更快地收斂于最優(yōu)結(jié)果，但是遺傳算法對(duì)初始種群的選擇有很強(qiáng)的依賴性，因此，把偏最小二乘法的估計(jì)位置信息作為遺傳算法的初始值而不是用隨機(jī)數(shù)去設(shè)置初始值。算法步驟如下。

1） 輸入一組新測(cè)量得到的TDOA數(shù)值，通過(guò)偏最小二乘法建立回歸方程，并且計(jì)算出坐標(biāo)初始值信息。

3）選擇操作，利用選擇算子對(duì)初始種群進(jìn)行處理，這種方式可以保證基因的完整性。

4）交叉操作，通過(guò)模仿生物進(jìn)化過(guò)程為新的物種進(jìn)行染色體交叉。

5）變異操作，用其他的基因團(tuán)代替原來(lái)的基因團(tuán)，通過(guò)新的基因產(chǎn)生新的個(gè)體，這樣可以使種群保持多樣性，有效避免早熟。

6）判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若沒(méi)有達(dá)到，則轉(zhuǎn)回第2步;若達(dá)到，將適應(yīng)度的最大值的個(gè)體進(jìn)行輸出，算法結(jié)束。

算法流程圖如圖3所示。

2.5基于偏最小二乘法的遺傳算法仿真分析

通過(guò)對(duì)護(hù)理機(jī)器人的定點(diǎn)基站3進(jìn)行測(cè)試，收集測(cè)試到的數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件[15]對(duì)基于最小二乘法的遺傳算法進(jìn)行仿真分析，測(cè)試時(shí)基站3位置坐標(biāo)分別為（0，0），（5 120，0），（0，3 560），護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽位置為（2 200，3 300）。遺傳算法的參數(shù)設(shè)置分別為種群規(guī)模50，交叉率0.5，變異率0.01，最大進(jìn)化代數(shù)70，仿真結(jié)果如圖4—圖8所示。由于偏最小二乘法對(duì)定位精度的提高很少，因此直接將PLSGA的誤差與TDOA模型計(jì)算的誤差進(jìn)行對(duì)比。

定點(diǎn)測(cè)試仿真結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)化到50代時(shí)，得到了最優(yōu)的適應(yīng)度均值為9.4，圖5可以看到，PLSGA算法更靠近真實(shí)值且集中，TDOA算法更發(fā)散。在圖6和圖7中可以看出TDOA直接計(jì)算的最大誤差為20 cm，PLSGA算法最大誤差為12 cm。在此基礎(chǔ)上使用了如式（4）所示的均方根誤差（RMSE）算法評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了表2定點(diǎn)測(cè)試的RMSE。表2表明所設(shè)計(jì)的PLSGA算法提高了系統(tǒng)定位精度。

2.6基于偏最小二乘法的遺傳算法實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在上述仿真基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)所用機(jī)器人底座如圖9所示，在房間內(nèi)放置3個(gè)基站，人工對(duì)基站位置進(jìn)行測(cè)量，3個(gè)基站所處位置的位置坐標(biāo)為（0，0），（0，9 000），（9 000，0）。打開(kāi)護(hù)理機(jī)器人上位機(jī)系統(tǒng)，把基站的位置坐標(biāo)輸入給上位機(jī)系統(tǒng)，并完成上位機(jī)與護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽的通信，開(kāi)始進(jìn)行護(hù)理機(jī)器人的定位，重復(fù)2次并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。改變護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽點(diǎn)的位置，進(jìn)行2次測(cè)試，再一次改變護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽點(diǎn)位置并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果如圖10和表3所示。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，所建立的基于UWB護(hù)理機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了護(hù)理機(jī)器人的定位。為了提高定位精度，在TDOA模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于偏最小二乘法遺傳算法的聯(lián)合定位算法，采用偏最小二乘法對(duì)TDOA模型測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步估計(jì)，并將其作為遺傳算法的初始種群對(duì)護(hù)理機(jī)器人標(biāo)簽位置進(jìn)行精確計(jì)算?；赨WB技術(shù)的定位方法不僅僅局限于護(hù)理機(jī)器人，還可以應(yīng)用于其他室內(nèi)設(shè)備的高精度定位，例如倉(cāng)儲(chǔ)物流中移動(dòng)小車的定位等。

為了節(jié)約成本，本次設(shè)計(jì)中只進(jìn)行了護(hù)理機(jī)器人底座的設(shè)計(jì)，沒(méi)有對(duì)護(hù)理機(jī)器人的整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文的實(shí)驗(yàn)是在LOS環(huán)境中進(jìn)行的，雖然進(jìn)行了無(wú)跡卡爾曼濾波，但在NLOS環(huán)境中護(hù)理機(jī)器人的定位精度還是會(huì)受到一定的影響。今后還需對(duì)這些方面作進(jìn)一步的改善和研究。

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