基于UWB的ROS機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹宇

（上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 201415）

0 引言

許多室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)合需要對(duì)機(jī)器人精確定位，其精度甚至需達(dá)到厘米級(jí)別。定位技術(shù)常用的有GPS、RFID、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、UWB 等。其中 GPS 室外效果良好，但在室內(nèi)，由于建筑物阻擋，無(wú)法定位。而RFID、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee和 UWB都可進(jìn)行室內(nèi)定位。若剔除成本因素，在定位精度、穩(wěn)定性或工作距離上來(lái)看UWB更為勝出。因此在設(shè)計(jì)室內(nèi)機(jī)器人精確路線行走定位時(shí)，采用UWB技術(shù)比較合適。

UWB（Ultra-WideBand）使用亞納秒級(jí)超窄脈沖來(lái)做近距離精確定位，可進(jìn)行厘米級(jí)別精度定位。UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、消耗電能小、發(fā)送功率小以及高安全性等諸多優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器人在工業(yè)上和服務(wù)行業(yè)上發(fā)展空前。行業(yè)不同，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景不一樣；要求不同，機(jī)器人的控制方式也會(huì)有差異。此處使用的ROS機(jī)器人小車，采用四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以更好的在任意方向行駛。

本系統(tǒng)研究的是：ROS車上攜帶UWB標(biāo)簽，在UWB基站覆蓋之下，讓ROS車在室內(nèi)隨意行進(jìn)，通過(guò)構(gòu)建的UWB定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取ROS車準(zhǔn)確的室內(nèi)位置。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)整體由三部分組成：UWB定位系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。

UWB定位系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)二維定位至少需要三個(gè)基站一個(gè)標(biāo)簽形成UWB定位系統(tǒng)，但是這種配置需要有個(gè)前提條件，三個(gè)基站必須位于同一水平位置上，這對(duì)部署提出了很高的要求，因此實(shí)際系統(tǒng)采用四個(gè)基站和一個(gè)標(biāo)簽。其中0號(hào)基站負(fù)責(zé)將定位信息傳給上位機(jī)系統(tǒng)，標(biāo)簽則放在ROS車上用以定位。

上位機(jī)系統(tǒng)，即服務(wù)器，讀取UWB定位系統(tǒng)的坐標(biāo)位置，并發(fā)目標(biāo)位置給ROS下位機(jī)；

下位機(jī)系統(tǒng)，即ROS機(jī)器人小車，接收上位機(jī)所發(fā)目標(biāo)位置，調(diào)用API控制電機(jī)行進(jìn)，另外將傳感器信息返回給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 UWB 模組

UWB模組選擇DecaWave公司的DW1000芯片，符合IEEE802.15.4-2011超寬帶標(biāo)準(zhǔn)，定位最小誤差可在10厘米以內(nèi)，芯片功耗低，可做雙向測(cè)距和定位。

構(gòu)建的UWB系統(tǒng)由4個(gè)基站和1個(gè)標(biāo)簽組成，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 ROS機(jī)器人小車

上位機(jī)通過(guò)Wi-Fi模組，獲取標(biāo)簽與基站的信息。在圖1中可見(jiàn)，基站0收集標(biāo)簽信息并發(fā)送到上位機(jī)中。

2.2 ROS 機(jī)器人小車

選用型號(hào)為UltraAI ROS的ROS機(jī)器人小車。其主控設(shè)備是x86工控機(jī)，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理性能，滿足運(yùn)行ROS系統(tǒng)的功能要求；具有多種接口，可連接各類傳感器進(jìn)行通信。ROS車采用四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，STM32作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)主控。工控機(jī)的USB接口與激光雷達(dá)相連，使ROS車具備了掃描本地地圖和識(shí)別障礙物的功能。同時(shí)工控機(jī)還接入了雙目深度攝像頭，使得ROS車還具備3D物體感知功能。這些外設(shè)使得ROS車具備了室內(nèi)自動(dòng)駕駛能力。為此只要在ROS車上加上UWB標(biāo)簽，就可在其行駛中進(jìn)行定位研究。

3 UWB定位原理

3.1 測(cè)距原理

UWB常用TOF（Time of Fly）方式計(jì)算電磁波傳輸時(shí)間，通過(guò)傳輸?shù)臅r(shí)間換算成距離[1]。標(biāo)簽A和基站B之間測(cè)距，如圖3所示：A在Ta時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過(guò)T時(shí)段后，B在Tb時(shí)刻收到；B在Tc時(shí)刻發(fā)回信號(hào)，經(jīng)過(guò)T時(shí)段后，A在Td時(shí)刻收到。其中Ta和Td會(huì)記錄在A寄存器中，Tb和Tc記錄在B寄存器中。對(duì)同時(shí)鐘頻率A、B設(shè)備采用時(shí)鐘偏移量方法，可得出單程飛行時(shí)間T=[（Td-Ta）-（Tc-Tb）]/2，即為A、B間電磁波傳輸所用時(shí)間。所以A、B間距離D=電磁波傳速×[（Td-Ta）-（Tc-Tb）]/2。

圖3 UWB測(cè)距

圖4 UWB定位

3.2 定位原理

在UWB 測(cè)距原理基礎(chǔ)上，可使用TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間）定位方法測(cè)量：用前述UWB測(cè)距原理，計(jì)算出標(biāo)簽與三個(gè)不同基站間的距離，最后通過(guò)三邊定位算法得到標(biāo)簽坐標(biāo)值[2]。如圖4所示，以三基站的位置為原點(diǎn)，標(biāo)簽到三基站的距離為半徑，畫三個(gè)圓，三圓交點(diǎn)就是標(biāo)簽的坐標(biāo)。

當(dāng)測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三圓未必有交點(diǎn)，或者產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn)，或者三圓相交后形成區(qū)域等情況。需在程序中用糾正半徑，或者求交點(diǎn)平局值等方法解決[3]。

4 UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)定位原理實(shí)現(xiàn)具體代碼，可參考UWB產(chǎn)品官方源程序。這里用流程圖來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明與定位相關(guān)的幾個(gè)部分：UWB標(biāo)簽程序和UWB基站程序。

4.1 UWB標(biāo)簽程序

標(biāo)簽程序，用于發(fā)送測(cè)量命令給各個(gè)基站，并測(cè)量和各個(gè)基站（1/2/3基站）的距離后發(fā)送給基站0。以上循環(huán)進(jìn)行。見(jiàn)圖5所示。

圖5 標(biāo)簽程序流程

4.2 UWB 基站程序

作為參考點(diǎn)的基站負(fù)責(zé)響應(yīng)標(biāo)簽的測(cè)距響應(yīng)命令，并將測(cè)量結(jié)果封裝到響應(yīng)幀中，通過(guò)無(wú)線再發(fā)送給標(biāo)簽。見(jiàn)圖6所示。

圖6 UWB基站程序流程

4.3 UWB基站0程序

基站0程序除了作為參考點(diǎn)響應(yīng)標(biāo)簽的測(cè)量命令之外（這部分不再贅述），實(shí)時(shí)接收標(biāo)簽發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)緩存后通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。以上循環(huán)進(jìn)行。見(jiàn)圖7所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

上述代碼實(shí)現(xiàn)后，使用UWB產(chǎn)品官方提供的測(cè)試軟件，適配室內(nèi)地圖后，可看到如圖7效果，0/1/2/3是4個(gè)基站，中間是ROS車運(yùn)行定位軌跡顯示，符合實(shí)際情況。

圖7 UWB基站0程序

圖8 室內(nèi)ROS車運(yùn)行定位軌跡

6 結(jié)語(yǔ)

采用UWB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行進(jìn)中ROS機(jī)器人小車的精確定位，測(cè)得精度為0.1m，與基于激光SLAM的機(jī)器人定位導(dǎo)航處于同一量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，接下來(lái)可與SLAM、深度攝像頭等聯(lián)合使用，進(jìn)一步提高ROS車的定位精度和智能化水平。