一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及所述機器人定位方法，特別涉及一種基于分體超聲波和射頻的跟隨機器人定位系統的技術領域。
【背景技術】
[0002]跟隨機器人是人機交互研究中的一個熱點問題，在所述機器人鄰域具有廣泛的應用，例如廣闊無比的高爾夫球場上的球桿袋跟隨所述機器人、大商場的跟隨購物車、機場的行李重物跟隨所述機器人等。跟隨過程往往是在比較復雜的環境中進行的，因此需要對跟隨的目標進行定位并且可以避開障礙物，實現跟隨指定目標的功能。
[0003]目前已有的跟隨所述機器人的定位方法主要是利用安裝中所述機器人本體上的視覺系統采集目標及周圍環境的信息，然后利用圖像處理的算法對目標進行定位，這種方法容易受環境中相似物體干擾，并且中所述機器人跟隨的過程中會出現靜態和動態障礙物，所述機器人必需具備避障功能，而目前的避障算法復雜度較高，有容易進入局部最優的缺陷。同時，利用視覺系統的跟隨所述機器人成本高，不能適應大部分人的經濟能力。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種精確定位的基于分體超聲波和射頻的跟隨機器人定位系統，為此，本發明采用以下技術方案:
一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法，所述機器人設有分體超聲結合射頻模塊，所述分體超聲結合射頻模塊包括接收端、發射端，所述發射端及接收端均由超聲波接收探頭、射頻模塊及微控制單元組成，所述分體超聲結合射頻模塊的發送端，所述定位方法包括以下步驟:
a)開啟所述發送端和所述接收端，所述發送端和所述接收端通過各自內部的射頻模塊進行時間校準，將所述發送端和所述接收端時間進行同步，使時間誤差控制在I微秒以下；
b)所述發送端和所述接收端時間同步后，所述發送端延時相同時間發送全向超聲波信號；
c)所述發送端和所述接收端時間同步后，所述接收端等待10us后開啟計時器，等待接受所述發射端發送的全向超聲波信號；由于所述接收端包括之間有間距的第一超聲波接收探頭和第二超聲波接收探頭，能分別接收到所述發射端發出的以聲速直線傳播過來的超聲波信號，因此信號到達兩個接收探頭的時間有差異；
當接收完成后，根據，得出，所述發射端到第一超聲波接收探頭的距離為dl，所述發射端到第二超聲波接收探頭的距離d2，V表示聲速，t表示所述發送端的信號開始計時到第一超聲波接收探頭或第二超聲波接收探頭接受到的時間，由于第一超聲波接收探頭、第二超聲波接收探頭及發送端構成的三角形三邊已知，即dl、d2及第一超聲波接收探頭和第二超聲波接收探頭的距離，可計算出被跟隨目標的位置，即為三角定位計算方法;控制目標的位置誤差在1cm以內； d)所述接收端解算出目標位置信息后能將數據發送給上位機如USART，SPI，IIC;
e)通過所述上位機估算出目標的位置，實現機器人對被跟隨人的跟隨功能。
[0005]在采用上述技術方案的基礎上，本發明還可采用以下進一步的技術方案:
所述分體超聲結合射頻的機器人定位方法能達到1Hz的定位頻率。考慮到本模塊超聲波的信號強度，其最多能在空間中傳播20m并被檢測到，因此結合聲速340m/s其在空中的滯留時間是58.8ms。為防止回波干擾(上一次發送出去的超聲波信號還沒完全在空氣中衰減，新的信號又被發送)因此極限頻率是1/0.0588=17Hz。再加上單片機處理及等待的時間，于是將頻率定在1Hz。
[0006]所述分體超聲結合射頻模塊的發送端可替換為全向發射模塊，所述全向發射模塊包括一個射頻模塊以及不同方向的多個超聲波發射頭;其中全向發射模塊中的射頻模塊和所述接收端的射頻模塊是用來校準兩個設備之間的時間，保證兩個模塊的時間誤差小于微秒。之后通過多個超聲波發射頭發射全向超聲波，由于是多個超聲波發射頭同時發送，保證發出的超聲波覆蓋空間全范圍，且由于超聲波發射頭安裝位置較為接近，因此可認為超聲波送同一點發送出來。所述接收端接收到所述超聲波，并通過上位機計算出不同的距離，所述上位機再通過所述三角定位計算方法，估算出目標的位置，使得目標的精確位置的誤差控制在1cm以內，進而通過估算出目標的位置實現機器人對被跟隨人的跟隨功能。
[0007]由于采用本發明的技術方案，本發明的有益效果為:本發明通過多三角定位方法，以及多個超聲波發射方便全方位無死角探測，精確的測得被跟隨人的具體位置，使機器人能夠實時的跟隨人行進。
【附圖說明】
圖1為本發明一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法示意圖。
其中A為發送端，B為，第一超聲波接收探頭，C為第二超聲波接收探頭。
【具體實施方式】
[0008]如圖所示，一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法，所述機器人設有分體超聲結合射頻模塊，所述分體超聲結合射頻模塊包括接收端、超聲波探頭，nrf24101射頻模塊，stm32f!03c8t6微控制單元，所述分體超聲結合射頻模塊的發送端，所述定位方法包括以下步驟:
a)開啟所述發送端和所述接收端，所述發送端和所述接收端通過各自內部的射頻模塊進行時間校準，將所述發送端和所述接收端時間進行同步，使時間誤差控制在I微秒以下；
b)所述發送端和所述接收端時間同步后，所述發送端延時10us發送全向超聲波信號；
c)所述發送端和所述接收端時間同步后，所述接收端等待10us后開啟計時器，等待接受所述發射端發送的全向超聲波信號；由于所述接收端包括之間有間距的第一超聲波接收探頭和第二超聲波接收探頭，兩個探頭一般之間設定間隔為I米，能分別接收到所述發射端發出的以聲速直線傳播過來的超聲波信號，因此信號到達兩個接收探頭的時間有差異；
當接收完成后，根據，得出，所述發射端到第一超聲波接收探頭的距離為dl，所述發射端到第二超聲波接收探頭的距離d2，V表示聲速，t表示所述發送端的信號開始計時到第一超聲波接收探頭或第二超聲波接收探頭接受到的時間，由于第一超聲波接收探頭、第二超聲波接收探頭及發送端構成的三角形三邊已知，即dl、d2及第一超聲波接收探頭和第二超聲波接收探頭的距離，可計算出被跟隨目標的位置，即為三角定位計算方法;控制目標的位置誤差在1cm以內；
d)所述接收端解算出目標位置信息后能將數據發送給上位機如USART，SPI，IIC;
e)通過所述上位機估算出目標的位置，實現機器人對被跟隨人的跟隨功能。
[0009]所述分體超聲結合射頻模塊的發送端可替換為全向發射模塊，所述全向發射模塊包括一個射頻模塊以及不同方向的多個超聲波發射頭;其中全向發射模塊中的射頻模塊和所述接收端的射頻模塊是用來校準兩個設備之間的時間，使之同步(誤差小于I微秒)，之后通過多個超聲波發射頭發射全向超聲波，所述接收端接收到所述超聲波，并通過上位機計算出不同的距離所述上位機再通過所述三角定位計算方法，估算出目標的位置，使得目標的精確位置的誤差控制在1cm以內，進而通過估算出目標的位置實現機器人對被跟隨人的跟隨功能。
【主權項】
1.一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法，其特征在于，所述機器人設有分體超聲結合射頻模塊，所述分體超聲結合射頻模塊包括接收端、發射端，所述發射端及接收端均由超聲波接收探頭、射頻模塊及微控制單元組成，所述分體超聲結合射頻模塊的發送端，所述定位方法包括以下步驟: a)開啟所述發送端和所述接收端，所述發送端和所述接收端通過各自內部的射頻模塊進行時間校準，將所述發送端和所述接收端時間進行同步，使時間誤差控制在I微秒以下； b)所述發送端和所述接收端時間同步后，所述發送端延時相同時間發送全向超聲波信號； c)所述發送端和所述接收端時間同步后，所述接收端等待10us后開啟計時器，等待接受所述發射端發送的全向超聲波信號；由于所述接收端包括之間有間距的第一超聲波接收探頭和第二超聲波接收探頭，能分別接收到所述發射端發出的以聲速直線傳播過來的超聲波信號，因此信號到達兩個接收探頭的時間有差異； 當接收完成后，根據，得出，所述發射端到第一超聲波接收探頭的距離為dl，所述發射端到第二超聲波接收探頭的距離d2，V表示聲速，t表示所述發送端的信號開始計時到第一超聲波接收探頭或第二超聲波接收探頭接受到的時間，由于第一超聲波接收探頭、第二超聲波接收探頭及發送端構成的三角形三邊已知，即dl、d2及第一超聲波接收探頭和第二超聲波接收探頭的距離，可計算出被跟隨目標的位置，即為三角定位計算方法;控制目標的位置誤差在1cm以內； d)所述接收端解算出目標位置信息后能將數據發送給上位機； e)通過所述上位機估算出目標的位置，實現機器人對被跟隨人的跟隨功能。2.如權利要求1所述的一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法，其特征在于，所述分體超聲結合射頻的機器人定位方法能達到I OHz的定位頻率。3.如權利要求1所述的一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法，其特征在于:所述分體超聲結合射頻模塊的發送端可替換為全向發射模塊，所述全向發射模塊包括一個射頻模塊以及不同方向的多個超聲波發射頭;其中全向發射模塊中的射頻模塊和所述接收端的射頻模塊是用來校準兩個設備之間的時間，使之同步，誤差小于I微秒，之后通過多個超聲波發射頭發射全向超聲波，所述接收端接收到所述超聲波，并通過上位機計算出不同的距離所述上位機再通過所述三角定位計算方法，估算出目標的位置，使得目標的精確位置的誤差控制在1cm以內，進而通過估算出目標的位置實現機器人對被跟隨人的跟隨功能。
【專利摘要】本發明所要解決的技術問題是提供了一種基于分體超聲結合射頻的機器人定位方法，所述機器人設有分體超聲結合射頻模塊，所述分體超聲結合射頻模塊包括接收端、發射端，所述發射端及接收端均由超聲波接收探頭、射頻模塊及微控制單元組成，所述分體超聲結合射頻模塊的發送端。本發明通過多三角定位方法，以及多個超聲波發射方便全方位無死角探測，精確的測得被跟隨人的具體位置，使機器人能夠實時的跟隨人行進。
【IPC分類】G01S7/524, G01S15/06
【公開號】CN105629241
【申請號】CN201510971902
【發明人】劉勇, 徐晉鴻
【申請人】浙江大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月22日