一种基于超宽带定位技术的移动机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种基于超宽带定位技术的移动机器人，属于智能机器人技术领域。本发明专利技术利用两个超宽带标签和三个超宽带基站，基于TOA定位算法建立平面直角坐标系，并解算超宽带标签在平面直角坐标系内的坐标，依靠机器人机头的两个超宽带标签解算的坐标解算机器人机体姿态数据，姿态数据的获取完全不依靠IMU等其他传感器。该机器人依靠双标签三基站实现自动导航功能，设定机器人的目标点坐标，机器人可调整自身姿态，行驶至目标点，适合物流搬运等多种场所。运等多种场所。运等多种场所。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超宽带定位技术的移动机器人


[0001]本专利技术涉及智能机器人
，尤其涉及一种基于超宽带定位技术的移动机器人。

技术介绍

[0002]目前，在基于超宽带定位技术的移动机器人主要采用超宽带获取机器人的定位坐标，而采用IMU等器件来获取姿态信息，但是由于受到制造工艺等技术的影响，致使生产出来的IMU存在零点漂移、灵敏度不高、温度漂移等难以克服的缺点。这导致使用IMU获取的姿态信息总是会出现各种偏差，进而使得依靠IMU实现的定位机器人需要不断进行修订，以达到预定位置。
[0003]在中国专利申请文献CN106352869B中，公开了一种移动机器人室内定位系统及其计算方法，该室内移动机器人包括在一定空间范围内可以自主移动的移动机器人、用于测定所述移动机器人自身航向角的电子罗盘、电机编码器、分别作为第一和第二基站的第一和第二DWM1000模块以及作为标签的第三DWM1000模块，步骤一，确定坐标原点，开启基站，再开启移动机器人，以开启时移动机器人所测得的位姿为初始位姿；步骤二，通过电机编码器得到t时刻的移动机器人的即时位姿1；步骤三，标签接收基站发射的高频电磁脉冲，通过计算方法确定出移动机器人自身的位置；步骤四，用电子罗盘所测得的航向角扩维步骤三得到的移动机器人位置，得到t时刻的即时位姿2；步骤五，用计算法融合即时位姿1和即时位姿2，得到t的位姿估计，后回到步骤二。但是使用该方案获取的机器人位姿会随着运行时间过长产生姿态漂移等现象，从而导致机器人无法完成相关任务。
[0004]现有技术至少存在以下不足：
[0005]1.通过IMU来获取机器人姿态角数据，而IMU会随着运行时间过长而产生数据漂移，导致机器人产生姿态漂移，出现运动误差；
[0006]2.采用IMU获取位姿的机器人，关机后IMU重启，需要进行初始位姿矫正，倘若机器人在运行过程中出现自启动，在无法进行初始位姿矫正的情况下，机器人将无法正常运行。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于超宽带(UWB，Ultra Wide Band)定位技术的移动机器人，利用两个超宽带标签和三个超宽带基站，基于TOA定位算法建立平面直角坐标系，并解算超宽带标签在平面直角坐标系内的坐标，两个超宽带标签安装于机器人的机身，比如机头位置，不需要通过IMU等器件来获取机器人的位姿数据，而是依靠机器人机头的两个超宽带标签通过TOA定位算法解算的坐标，通过本专利技术的方法解算得到。该机器人依靠双标签三基站实现自动导航功能，设定机器人的目标点的坐标，机器人可调整自身姿态，行驶至目标点。
[0008]本专利技术提供了一种基于超宽带定位技术的移动机器人，包括：
[0009]主控模块、两个超宽带标签、三个超宽带基站、红外测距模块、通信模块、光电编码
传感器、电机驱动和电机；两个超宽带标签分别为第一超宽带标签和第二超宽带标签；
[0010]主控模块分别与超宽带标签、红外测距模块、通信模块、光电编码传感器、电机驱动连接；
[0011]所述超宽带标签与超宽带基站通信，获取与超宽带基站之间的距离，并将结果发送给主控模块，主控模块根据超宽带标签与超宽带基站间的距离，获取机器人的位置和姿态数据；
[0012]所述红外测距模块用于机器人避障；
[0013]所述光电编码传感器用于对机器人的闭环控制；
[0014]所述电机驱动与电机连接，用于接收主控模块信号控制电机转动；
[0015]电机与光电编码传感器连接；
[0016]所述通信模块用于与上位机进行通信。
[0017]优选地，两个所述超宽带标签安装于机器人机身，两个所述超宽带标签的连线垂直于机器人向前行进方向。，机器人向前行进为正向，向后行进为负向。
[0018]优选地，主控模块根据超宽带标签与超宽带基站间的距离，获取机器人的位置和姿态数据具体包括：
[0019]通过TOA定位算法建立全局坐标系，分别解算出两个超宽带标签的坐标，该全局坐标系为平面直角坐标系；
[0020]其中任一超宽带标签的坐标(x0,y0)通过如下公式获取：
[0021][0022]其中：
[0023]r
i
表示第i个超宽带基站与该超宽带标签之间的距离；
[0024](x0,y0)表示该超宽带标签在通过TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标；
[0025](x
bi
,y
bi
)(i＝1,2,3)分别表示三个超宽带基站在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标；
[0026]根据两个超宽带标签的坐标确定机器人的姿态数据。
[0027]优选地，采用如下方法获取机器人的姿态角：
[0028]根据两个超宽带标签的坐标数据，采用如下公式确定机器人在全局坐标系内的坐标数据：
[0029][0030][0031]连接两个超宽带标签的直线与全局坐标系的X
I
轴相交于点A，与X
I
轴形成的夹角θ
A
通过如下公式确定：
[0032][0033]θ
A
∈[0
°
,90
°
)；
[0034]根据不同情况对θ
A
做如下处理得到机器人姿态角θ
I
：
[0035]若x1≤x2且y1＞y2，此时θ
I
＝90
°‑
θ
A
；
[0036]若x1＞x2且y1≤y2，此时θ
I
＝90
°
+θ
A
；
[0037]若x1≤x2且y1≤y2，此时θ
I
＝90
°
+θ
A
；
[0038]若x1＞x2且y1＞y2，此时θ
I
＝90
°‑
θ
A
；
[0039]其中，
[0040](x
I
,y
I
)为机器人在全局坐标系的坐标；
[0041](x1,y1)为第一超宽带标签在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标；
[0042](x2,y2)为第二超宽带标签在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标。
[0043]优选地，采用如下方法获取机器人的运动速度：
[0044]通过机器人机身的两个超宽带标签的在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标，采用如下公式得到机器人在全局坐标系的速度：
[0045][0046]其中，
[0047]表示机器人在全局坐标系下在X
I
轴方向的速度；
[0048]表示机器人在全局坐标系下在Y
I
轴方向的速度；
[0049]表示机器人在全局坐标系下的角速度；
[0050](x1(t1),y1(t1))表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超宽带定位技术的移动机器人，其特征在于，包括：主控模块、两个超宽带标签、三个超宽带基站、红外测距模块、通信模块、光电编码传感器、电机驱动和电机；两个超宽带标签分别为第一超宽带标签和第二超宽带标签；主控模块分别与超宽带标签、红外测距模块、通信模块、光电编码传感器、电机驱动连接；所述超宽带标签与超宽带基站通信，获取与超宽带基站之间的距离，并将结果发送给主控模块，主控模块根据超宽带标签与超宽带基站间的距离，获取机器人的位置和姿态数据；所述红外测距模块用于机器人避障；所述光电编码传感器用于对机器人的闭环控制；所述电机驱动与电机连接，用于接收主控模块信号控制电机转动；电机与光电编码传感器连接；所述通信模块用于与上位机进行通信。2.根据权利要求1所述的基于超宽带定位技术的移动机器人，其特征在于，两个所述超宽带标签安装于机器人机身，两个所述超宽带标签的连线垂直于机器人向前直线行进方向。3.根据权利要求2所述的基于超宽带定位技术的移动机器人，其特征在于，主控模块根据超宽带标签与超宽带基站间的距离，获取机器人的位置和姿态数据，具体包括：通过TOA定位算法建立全局坐标系，分别解算出两个超宽带标签的坐标，该全局坐标系为平面直角坐标系；其中任一超宽带标签的坐标(x0,y0)通过如下公式获取：其中：r
i
表示第i个超宽带基站与该超宽带标签之间的距离；(x0,y0)表示该超宽带标签在通过TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标；(x
bi
,y
bi
)(i＝1,2,3)分别表示三个超宽带基站在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标；根据两个超宽带标签的坐标确定机器人的姿态数据。4.根据权利要求3所述的基于超宽带定位技术的移动机器人，其特征在于，采用如下方法获取机器人的姿态角：根据两个超宽带标签的坐标数据，采用如下公式确定机器人在全局坐标系内的坐标数据：据：连接两个超宽带标签的直线与全局坐标系的X
I
轴相交于点A，与X
I
轴形成的夹角θ
A
通过
如下公式确定：θ
A
∈[0
°
,90
°
)；根据不同情况对θ
A
做如下处理，得到机器人姿态角θ
I
：若x1≤x2且y1＞y2，此时θ
I
＝90
°‑
θ
A
；若x1＞x2且y1≤y2，此时θ
I
＝90
°
+θ
A
；若x1≤x2且y1≤y2，此时θ
I
＝90
°
+θ
A
；若x1＞x2且y1＞y2，此时θ
I
＝90
°‑
θ
A
；其中，(x
I
,y
I
)为机器人在全局坐标系的坐标；(x1,y1)为第一超宽带标签在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标；(x2,y2)为第二超宽带标签在TOA定位算法构建的全局坐标系内的坐标。5.根据权利要求4所述的基于超宽带定位技术的移动机器人，其特征在于，采用如下方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，谢斌，贺聘彬，张巧龙，
申请(专利权)人：湖南工程学院，
类型：发明
国别省市：