基于UWBLOC的自主跟随机器人定位方法

和其它定位相比较，UWBLOC技术优点在于低功耗、低成本、抗多径能力和穿透能力强，另外，UWBLOC的无线通信空间容量达1Mbit/（s·m2），远优于其它技术，适用于室外和室内定位。本文提出一种基于UWBLOC的定位方法和系统，可实现自主跟随机器人相对于人的定位，从而实现机器人跟随人的目的。

 

 

UWBLOC技术

超宽带（UWBLOC）技术是一种传输速率高（最高可达1 000Mbps以上）、发射功率较低、穿透能力较强，并且基于极窄脉冲的无线定位技术，无载波。无线定位算法可分为基于距离的定位算法和与距离无关的定位算法两类。与距离无关的定位算法节点硬件要求较低，但精度低。UWBLOC一般采用基于距离的定位算法。目前，最常用的定位算法主要有：信号到达角度定位(AOA）、信号强度分析法（RSS）、到达时间定位（TOA）、到达时间差定位（TDOA）等。

（1）到达角度定位（AOA）和信号强度分析法（RSS）。

基于信号到达角度的定位算法是一种典型的基于测距的定位算法，通过硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，再利用三角测量法或其它方式计算出未知节点的位置。RSS根据信号的传播模型，利用信号接收强度与信号传播距离的关系，对目标进行定位，此方法对信道环境十分敏感。

 

（2）到达时间定位（TOA）。

到达时间定位（TOA）计算测量信号从发射端传至接收端所需的时间，再根据信号传播的速度计算出发射端与接收端之间的距离。以每一个发射端作为圆心，以发射端与接收端的距离为半径作圆或球（二维平面作圆，三维平面作球），圆或者球的交点即为被测点的位置。TOA要求接收端与发射端的时间同步。

 

（3）到达时间差定位（TDOA）。

到达时间差定位（TDOA）是根据发射端发出信号到达不同基站的时间差，计算出移动台到基站间的距离。由移动台到两个基站的距离差得到一条双曲线，要求解目标点的坐标至少需要3个基站双曲线方程组。TDOA方法不需要基站与移动台时钟同步，只需要基站之间的时钟同步即可。

 

通过UWBLOC技术中的到达时间（TOA）定位算法，计算出人对于机器人的相对位置，实现机器人对人的跟随。

 

如图下图所示，移动机器人在室内或室外环境中移动时，机器人上安装有3个UWBLOC跟随模块传感器作为基站，人和机器人处在同样环境中，身上穿戴有一个UWBLOC跟随模块传感器作为标签，假设人初始时刻已被机器人锁定。3个基站按等边三角形三个顶点位置固定在移动机器人上，用来发射UWB信号，标签接收到信号后，通过TOA算法可算出标签分别距3个基站的距离，并通过几何运算得到人相对于机器人的位置。

 

 

坐标模型及定位算法

机器人和人所处的环境是三维空间，以机器人本身为参考系建立一个局部坐标系统。如图下图所示，定义3个基站位置距离AB、BC、AC均为a；定义BC边上的高所在延长线为y轴，y轴正向与机器人自身的方向一致；3个基站构成的等边三角形AB边的中点为O（0，0，0）；标签坐标为M（x，y，z），其中z为标签到基站所在水平面的高度；等边三角形的中心为H。

根据3个基站到标签的距离，通过解析几何可以算出标签M在等边三角形所在平面的投影M点到等边三角形中心的距离：

L=MH=（d14+d24+d34-d12d22-d12d32-d22d32）÷（3a2）（1）

标签M在等边三角形所在平面的投影M′点与等边三角形中心H点的连线，即MH与y轴的夹角即方位角：

θ=∠MHA=arctan（3（d32-d22）÷（-2d12+d22+d32））（2）

由此，人的位置坐标可以表示为（L，θ），即确定出人相对于机器人的位置信息，所得位置误差范围在±100mm以内，位置信息基于机器人和人直接计算，不存在累积误差。

 

跟随方案

利用人相对于机器人的坐标，机器人实现跟随的步骤为：①机器人根据人的位置坐标，解算出人在以机器人本身为参考坐标系中x，y方向的偏移量；②机器人在x方向上移动，最终使人在坐标系中x方向的偏移量为零；③机器人在y方向上移动，最终使人在坐标系中y方向的偏移量为零；④当人在坐标系中x，y方向的偏移量都为零时，即机器人此时到达人的位置，从而实现跟随。

 

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