一種基于uwb的室內(nèi)移動機器人定位與導航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于室內(nèi)機器人通信技術(shù)和控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于UWB的室內(nèi) 移動機器人定位與導航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，工業(yè)自動化水平的進一步提高，移動機器人的服務 已經(jīng)深入到社會生產(chǎn)的各個方面。
[0003] 目前，室內(nèi)移動機器人主要依靠 AGV小車來實現(xiàn)。AGV小車路徑控制主要有軌道引 導和視覺引導兩種方式。軌道引導需要在作業(yè)現(xiàn)場鋪設軌道引導小車行進，這樣的路徑控 制方式的不足是：（1)軌道的鋪設使得工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場AGV小車路徑靈活性不足，加工工藝的 改變，需要用戶改變鋪設的軌道；（2)對于多移動機器人的復雜路徑或交叉路徑，鋪設軌道 的方式，是無法引導AGV小車的。視覺引導方式是使用基于圖像背景的定位原理，引導小車 行進，存在的不足:（1)位置精度誤差大;（2)作業(yè)環(huán)境的改變，需要重新布置圖像背景。
[0004] 針對上述AGV小車路徑控制方式和定位原理，無線定位方案明顯彌補了其定位的 不足。目前無線定位技術(shù)有很多，包括Wifi、RFID、超聲波和藍牙等，各種定位技術(shù)特點如表 1所示，然而其定位實現(xiàn)均存在一個共性問題-定位精度是米級水平，正是這一問題的存在， 限制了無線定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中的應用。
[0005]表1無線定位技術(shù)特點
UWB技術(shù)是一種利用亞納秒級超窄脈沖的無載波通信技術(shù)。相對于其他定位技術(shù)，UWB 技術(shù)具有以下優(yōu)勢： 1. 通信距離遠，能實現(xiàn)百米范圍內(nèi)有效通信，滿足室內(nèi)定位需要 2. 高數(shù)據(jù)傳輸速率，10米范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率達到百Mbit/s，甚至到達Gbit/s 3 ·抗干擾能力強，多徑分辨能力強 4. 功耗小，發(fā)射功率在mW級別 5. 時間分辨率高，時間區(qū)分度在亞納秒級別 UWB室內(nèi)定位技術(shù)在理論上可以將誤差控制在10cm，實際應用中能控制誤差在20 cm 內(nèi)。相對于其他定位技術(shù)，使用UWB信號進行室內(nèi)定位可以獲得更高的定位精度和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種通過采用UWB技 術(shù)進行室內(nèi)移動機器人的定位與導航，具有抗干擾能力強、功耗小等優(yōu)點，且對于其他定位 技術(shù)，使用UWB信號進行室內(nèi)定位可以獲得更高的定位精度和穩(wěn)定性的基于UWB的室內(nèi)移動 機器人定位與導航系統(tǒng)。
[0007] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種基于UWB的室內(nèi)移動機器人定位與導航系統(tǒng)，包括設 備層、中間層和應用層； 所述設備層完成系統(tǒng)硬件平臺的搭建，包括基站、標簽、移動機器人和Wifi通信模塊， 其中基站與標簽實現(xiàn)定位功能，Wifi模塊和基站中的通信基站用于連接設備層和中間層， 實現(xiàn)信息的上傳和下達;標簽與基站之間，按照設定的機制，通過UWB信號的飛行時間，進行 測距;在標簽獲得與4個基站(其中1個為通信基站)之間的有效距離時，選擇可信度高的3個 距離，利用定位算法求解標簽坐標信息;標簽在獲得坐標信息后，一方面將坐標信息傳至與 標簽一體的移動機器人控制器，用于機器人導航控制；另一方面回送通信基站。通信基站利 用Wifi網(wǎng)絡將將該坐標信息上傳至中間層服務器進行存儲，供后續(xù)應用軟件使用； 所述設備層標簽安裝在移動機器人本體上，并與移動機器人控制器使用串口進行通 信，移動機器人通過標簽、通信基站、Wifi模塊、服務器和因特網(wǎng)實現(xiàn)與客戶端軟件的信息 交互； 中間層包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析軟件和服務器，完成數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)、分析處理和遠程訪問 控制功能； 應用層主要提供友好的遠程客戶端軟件界面，利用Visual studio平臺開發(fā)C#軟件，進 行移動機器人狀態(tài)信息在線更新、移動機器人路徑規(guī)劃和其他相關(guān)報表的生成。
[0008] 進一步的，所述基站和標簽均使用UWB信號收發(fā)芯片DW1000進行無線信號的相互 收發(fā)。
[0009] 進一步的，所述基站和標簽中的單片機通過SPI接口實現(xiàn)對DW1000內(nèi)部各映射寄 存器的讀寫，控制其接收和發(fā)送無線信號，同時單片機可以配置DW1000的中斷引腳，使其只 在某些特定狀態(tài)下觸發(fā)單片機中斷。
[0010] 進一步的，所述基站包括通信基站和普通基站，所述通信基站連接有Wifi模塊，普 通基站不設有Wifi模塊。
[0011] 進一步的，所述通信基站的主控制器使用STM32F107RCT6型號單片機，Wifi部分采 用USR-WIFI232-A型號串口轉(zhuǎn)Wifi模塊。
[0012] 進一步的，所述通信基站還設有狀態(tài)指示模塊。
[0013] 進一步的，所述標簽與移動機器人之間使用串口進行通信，所述移動機器人采用 單片機控制，且該單片機還連接有轉(zhuǎn)向舵機模塊、驅(qū)動電機模塊和避障傳感器。
[0014] 進一步的，所述中間層使用SQL Server 2012軟件，完成數(shù)據(jù)庫的建立、存取和維 護;使用C#開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件，并利用.NET平臺提供的接口，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的交互，完 成對各種數(shù)據(jù)的分析處理;為實現(xiàn)遠程訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的，中間層將設計基于Socket的 網(wǎng)絡后臺服務器。
[0015] 進一步的，用戶通過訪問系統(tǒng)服務器，可以瀏覽移動機器人的各種狀態(tài)參數(shù)信息； 同時，用戶可以使用客戶端軟件，通過互聯(lián)網(wǎng)改變移動機器人的預設行進路線，實現(xiàn)對移動 機器人的路徑規(guī)劃，以滿足對生產(chǎn)工藝的需求。
[0016] 進一步的，移動機器人獲取標簽的當前坐標信息和用戶設定的目標位置及預設路 徑信息，自動進行路徑規(guī)劃和前行，并能根據(jù)當前作業(yè)環(huán)境自動地進行避障和防碰撞處理， 到達指定的工位進行后續(xù)加工。
[0017] 有益效果:本發(fā)明通過采用UWB技術(shù)進行室內(nèi)移動機器人的定位與導航，具有抗干 擾能力強、功耗小等優(yōu)點，且對于其他定位技術(shù)，使用UWB信號進行室內(nèi)定位可以獲得更高 的定位精度和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的基于UWB的室內(nèi)移動機器人定位與導航系統(tǒng)控制效果圖； 圖2為本發(fā)明的基于UWB的室內(nèi)移動機器人定位與導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明的標簽與基站的信息流向示意圖； 圖4為本發(fā)明單片機與DW1000通信結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明的通信基站的硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明的標簽與移動機器人硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的工作原理以及具體的技術(shù)方案作進一步詳細說 明： 室內(nèi)移動機器人應用可以概括為兩大部分:定位和導航。定位是指移動機器人依托4個 基站的測距數(shù)據(jù)，實時計算得到自身的平面位置信息S(x，y);導航是指移動機器人，根據(jù)自 身當前位置信息、用戶設定的目標位置及預設路徑信息（用戶設定機器人的行走路徑），能 自動進行路徑規(guī)劃，并控制移動機器人前行。同時移動機器人能根據(jù)當前作業(yè)環(huán)境自動地 進行避障和防碰撞處理 圖1為基于UWB的室內(nèi)移動機器人定位與導航系統(tǒng)控制效果圖，模擬具有4個生產(chǎn)工位 的工作車間，5個移動機器人實現(xiàn)工位間自動搬運原料進行加工的場景。
[0020] 車間室內(nèi)頂部安裝有4個使用UWB技術(shù)的基站(基站1、基站2、基站3和基站4)，移動 機器人上同時安裝有使用UWB技術(shù)的標簽。標簽按照設定機制與基站進行通信，可以計算自 身的坐標位置S(x，y)(坐標位置由標簽單片機計算）。標簽單片機在計算得到自身坐標信息 后，一方面，經(jīng)通信接口，將坐標信息傳至移動機器人控制器;另一方面回送通信基站。通信 基站利用Wifi網(wǎng)絡將將該坐標信息上傳至服務器進行存儲，并可由上位機軟件做進一步處 理。
[0021] 針對生產(chǎn)流程多變的作業(yè)現(xiàn)場，系統(tǒng)滿足用戶的個性化需求。用戶通過訪問系統(tǒng) 服務器，可以瀏覽移動機器人的各種狀態(tài)參數(shù)信息；同時，用戶可以使用客戶端軟件，通過 互聯(lián)網(wǎng)改變移動機器人的預設行進路線，實現(xiàn)對移動機器人的路徑規(guī)劃，以滿足對生產(chǎn)工 藝的需求。
[0022] 移動機器人獲取標簽的當前坐標信息和用戶設定的目標位置及預設路徑信息，自 動進行路徑規(guī)劃和前行，并能根據(jù)當前作業(yè)環(huán)境自動地進行避障和防碰撞處理，到達指定 的工位進行后續(xù)加工。
[0023] 圖1中虛線表示用戶通過客戶端軟件設定的移動機器人目標位置（即指工位1、工 位2、工位3、工位4)和預設路徑。如圖所示，工位2和工位3之間存在障礙物，移動機器人自動 完成避障；工位1和工位4之間，兩個向不同方向行進的移動機器人自動進行防碰撞處理。 [0024]系統(tǒng)框架為三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，分別為設備層、中間層和應用層。
[0025]設備層完成系統(tǒng)硬件平臺的搭建，主要包括基站、標簽、移動機器人和Wifi通信模 塊的硬件設計。其中基站與標簽完成定位功能，Wifi模塊和通信基站(基站分為通信基站和 普通基站）用于連接設備層和中間層，實現(xiàn)信息的上傳和下達。標簽與基站之間，按照設定 的機制，通過UWB信號的飛行時間，進行測距;在標簽獲得與4個基站(其中1個為通信基站） 之間的有效距離時，選擇可