Uwb定位輔助地圖修正方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及室內定位技術領域，特別涉及一種UWB定位輔助地圖修正方法及系統。
【背景技術】
[0002]隨著計算機處理能力、傳感器和人工智能技術的發展，機器人研宄的主流方向已逐漸向可移動的智能機器人轉移。原先傳統固定機械臂式工業機器人所未考慮的問題也日益凸顯出來，成為智能機器人所必須克服的技術難點。最典型的，比如位置識別和路徑規劃，就是智能機器人在移動之前必須具備的自主處理能力，其處理效率及可靠性直接決定了機器人自主移動的智能程度。
[0003]現有技術中，GPS定位技術雖然已比較成熟，但其僅可用于戶外定位，定位精度和信號質量均無法適用于室內環境。因此，目前室內服務機器人主要依賴SLAM (SimultaneousLocalizat1n and Mapping，同步定位與建圖)技術來實現全自主移動。SLAM技術中，機器人首先借助傳感器設備探測周邊環境建立地圖，同時識別并標注自身當前在地圖中位置，對于建圖和標注，現有技術一般采用的方式有:柵格、幾何信息和拓撲圖表示法。其中，柵格表示法分別掃描多個柵格區域后進行疊加，得到詳細地圖并進行定位；幾何信息法則是采集被掃描物的幾何特征，利用不同的幾何信息進行定位；拓撲圖法則是將環境特征抽象為拓撲點和線，利用拓撲形狀規劃機器人移動。
[0004]現有技術各方案的優缺點均較為明顯，其中柵格法精度較高，但計算量大且柵格疊加會造成地圖偏移，可靠性不強；幾何信息法計算量稍小，但相應地精度偏低；拓撲圖法計算量最小、效率高，但因拓撲表示過于抽象，無法準確分辨相似場景，錯誤率較高。除了上述明顯缺陷，現有技術更大的問題在于各方案均無法適用于復雜環境或復雜應用，尤其是其定位方式依賴于特定障礙物或標志物，要求機器人在啟動時啟動地點和角度固定，否則需要大范圍掃描重新構建地圖，這給實際應用帶來了極大不便。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的缺陷，本發明所要解決的技術問題是如何實現智能機器人的快速高精度的定位。
[0006]為解決該問題，一方面，本發明提供了一種UWB定位輔助地圖修正方法，該方法包括步驟:
[0007]獲取預設區域的初始地圖信息，并將所述初始地圖信息與服務器同步；
[0008]標簽向多個節點同時發送UWB脈沖，各節點分別記錄各自接收到的UWB脈沖信號信息；
[0009]根據至少兩個節點接收到的UWB脈沖信號信息計算標簽的位置信息；
[0010]根據位置信息和當前掃描結果與服務器同步更新地圖信息。
[0011]優選地，所述方法中，根據測量參數的不同，所述計算采用基于接收信號強度、基于到達角度和基于接收信號時間中至少一種方式進行。
[0012]優選地，所述獲取預設區域的初始地圖信息為在預設區域內移動測量生成預設區域的初始地圖。
[0013]優選地，所述方法中，所述多個節點的位置固定且已知，各節點位置和標簽的位置信息采用統一坐標系的坐標來表示和標注。
[0014]優選地，所述同步更新地圖信息為:在獲得位置信息后，進一步結合對當前位置周邊環境的掃描結果，判斷已有的地圖信息是否準確；若地圖信息存在偏差，則同步更新本地和服務器中的地圖信息。
[0015]另一方面，本發明還同時提供一種UWB定位輔助地圖修正系統，該系統包括:
[0016]初始化模塊，用于獲取預設區域的初始地圖信息，并將所述初始地圖信息與服務器同步；
[0017]UffB模塊，用于使標簽向多個節點同時發送UWB脈沖，各節點分別記錄各自接收到的UWB脈沖信號信息；
[0018]定位模塊，用于根據至少兩個節點接收到的UWB脈沖信號信息計算標簽的位置信息;
[0019]修正模塊，用于根據位置信息和當前掃描結果與服務器同步更新地圖信息。
[0020]優選地，所述系統為機器人，還包括:行進系統、控制系統、地圖及位置測量系統、智能語音交互系統和通訊系統、圖像識別和人臉交互系統和供電與自動回充系統；
[0021]其中，行進系統用于實現機器人的移動；控制系統用于將一個坐標轉換成具體指令的控制系統；地圖及位置測量系統用于掃描周圍環境建立地圖；智能語音交互系統和通訊系統用于和服務器進行交互；圖像識別和人臉交互系統用于獲得當前環境并確定捕捉到人臉和確認身份；供電與自動回充系統用于提供電源并在電量不足時返回充電粧充電的。
[0022]優選地，所述定位模塊根據測量參數的不同，采用基于接收信號強度、基于到達角度和基于接收信號時間中至少一種方式進行所述計算。
[0023]優選地，采用基于接收信號時間的差值進行計算時，所述定位模塊還包括:
[0024]獨立時差計數器，用于統一記錄UWB脈沖到達至少三個節點的接收時間差，利用時間差和節點間的差異計算出標簽的位置信息。
[0025]優選地，所述系統還包括:
[0026]移動終端，用于通過自身的通訊單元與服務器和/或機器人交互，向機器人發出移動指示或服務任務。
[0027]本發明的技術方案提供了一種UWB定位輔助地圖修正方法及系統，通過UWB技術幫助智能機器人實現定位，進而通過定位信息輔助修正掃描地圖，可大幅提高機器人定位的精度和可靠性，同時提高了掃描地圖的識別和定位精度，使得智能機器人的自主移動更為準確高效可靠。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明的一個實施例中UWB定位輔助地圖修正方法的流程圖；
[0029]圖2為UWB定位的原理示意圖；
[0030]圖3為本發明的一個優選實施例中UWB節點設置效果示意圖；
[0031]圖4為本發明的另一個優選實施例中基于到達時間差進行定位的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例為實施本發明的較佳實施方式，所述描述是以說明本發明的一般原則為目的，并非用以限定本發明的范圍。本發明的保護范圍應當以權利要求所界定者為準，基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]智能機器人的自主移動依賴于地圖和自身位置來規劃路徑，其中地圖的建立一般依賴于傳感器對周邊環境的感測，比如通過激光掃描獲得環境中各標志物的位置和形狀；而自身位置則依靠機器人的定位能力，現有技術的多種定位方式均是通過比對特定障礙物或標志物，過于依賴傳感器對物體的識別能力，識別的正確率和設備成本很難有理想的平衡。
[0034]在本發明的一個實施例中，提供了一種UWB(Ultra_WideBand，超寬帶)定位輔助地圖修正的方法，通過UWB設備和技術實現機器人的定位，在機器人的室內活動區域中固定設置多個UWB節點，同時在機器人自身設置UWB標簽。如圖1的流程圖所示，該方法包括步驟:
[0035]S1、獲取預設區域的初始地圖信息，并將所述初始地圖信息與服務器同步；
[0036]S2、標簽向多個節點同時發送UWB脈沖，各節點分別記錄各自接收到的UWB脈沖信號十目息;
[0037]S3、根據至少兩個節點接收到的UWB脈沖信號信息計算標簽的位置信息；
[0038]S4、根據位置信息和當前掃描結果與服務器同步更新地圖信息。
[0039]其中，UWB技術是一種使用IGHz以上帶寬且無需載波的先進無線通信技術。雖然是無線通信，但其通信速度可以達到幾百Mbit/s以上。由于不需要價格昂貴、體積龐大的中頻設備，UWB無線定位系統的體積小且成本低。而UWB系統發射的功率譜密度可以非常低，甚至低于美國聯邦通信委員會(FCC，Federal Communicat1ns Commiss1n)規定的電磁兼容背景噪聲電平，因此短距離UWB無線電通信系統可以與其他窄帶無線電通信系統共存。
[0040]根據測量參數的不同，步驟S3中UWB定位的計算方式可采用基于接收信號強度(RSS, Received Signal Strength)、基于到達角度(AOA, Angle of Arrival)和基于接收信號時間(TOA/TDOA，Time of Arrival/Time Difference of Arrival)中至少一種。進一步如圖2所示，對于一個標簽，其發出的脈沖信號分別到達至少兩個節點的接收傳感器，每個傳感器接收信號時分別獲得相應的物理量，圖2中示出了兩傳感器可能有兩個接收時間h、t2，基于接收時間可以分別計算標簽到兩個傳感器的距離，根據兩距離的交集進一步計算出標簽所在位置；或者兩傳感器可能有兩個接收角度％、a2，基于接收角度可以分別計算標簽可能處于的方位，根據兩方位的交集進一步計算出標簽所在位置。實際情況中兩傳感器還可能有兩個接收信號強度，基于信號強度同樣可以分別計算標簽到兩個傳感器的距離，隨后計算標簽所在位置。采用UWB技術實現定位，具有結構簡單、隱蔽性好、保密性強、功耗低、多徑分辨力強、數據傳輸率高、穿透能力強、定位精確、抗干擾能力強等優點，除可實現高效高精度的定位，更重要的是使得機器人的移動不僅僅依賴于掃描地圖對物體的識別能力，提高了智能系統的性能和可靠性。
[0041]本發明的方法