基于UWB室内送餐机器人定位信息系统.pdf

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ComputerSystems&Applications,2021,30(1):101-105[doi:.]-s-
©:+86-10-62661041
基于UWB室内送餐机器人定位信息系统①
吴鹏1,于世东2
1(沈阳师范大学软件学院,沈阳110036)
2(中国科学院沈阳计算技术研究所,沈阳110168)
通讯作者:于世东,E-mail:******@
摘要:为了实现送餐机器人的室内精确定位与远程观察与控制,本文采用DW1000模块基于UWB结合

步问题,,从而使系统快速精确定位,同时利用ESP8266无线以
太网模块将位置数据及状态信息传递到远端服务器上,
无线互联系统,可以满足室内送餐机器人的定位与信息传递,并实现机器人的远程控制.
关键词:UWB;TOA;ESP8266;机器人;定位
引用格式:吴鹏,,2021,30(1):101-://-s--
3254/
PositioningInformationSystemofIndoorFoodDeliveryRobotBasedonUWB
WUPeng1,YUShi-Dong2
1(SoftwareCollege,ShenyangNormalUniversity,Shenyang110036,China)
2(ShenyangInstituteofComputingTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110168,China)
Abstract:Inordertorealizeprecisepositioningwithremoteobservationandcontrolofthefooddeliveryrobotinthe
room,thisstudydesignsaindoorrobotpositioninginformationsystembasedontheDW1000moduleandthenetwork


,thewirelessEthernetmoduleESP8266isusedtotransmittheposition
dataandthestatusinformationtotheremoteserverwhichiseasytoviewthereal-timepositionstateandcontroltherobot
,whichcansatisfytheindoorrobotpositioning
andinformationtransmission,andrealizetheremotecontroloftherobot.
Keywords:UWB;TOA;ESP8266;robot;positioning
目前基于移动位置服务LBS发展迅速,室外定位非常必要,现在主要的定位技术有红外定位、蓝牙定
技术已经可以满足日常人们生活生产的需要,其定位位、UWB定位、WLAN定位、RFID定位、ZigBee
精度在民用上达到米级,室外定位系统在室外空旷环定位、超声波定位以及LED可见光定位等[1].本文采
境中使用时,信号状态良好,但在室内进行定位,由于用UWB是一种无载波通信技术,利用纳秒至微秒级
受到建筑结构等环境因素的影响,信号微弱进行定位的非正弦波窄脉冲传输数据,UWB发射功率很小,应
困难,[2],被用来应用在近距离高速数据传输,目
①基金项目:辽宁省自然科学基金(20180550916)
Foundationitem:NaturalScienceFoundationofLiaoningProvince(20180550916)
收稿时间:2020-04-26;修改时间:2020-06-03;采用时间:2020-07-17;csa在线出版时间:2020-12-31
SystemConstruction系统建设101
万方数据
计算机系统应用-s-
前利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内在T1时刻目标A发送超宽带无线信息给目标B,

到该由A发来的信息,进行处理,同时记录下当前

本机器人定位系统整体结构图如图1所示,在室信息给目标A,该信息带有B接收A时的时间标签和
内场所具有不少于3个的固定基站,基站与机器人采发送时的时间标签,同时将T1时刻A发送的时间标签

位置,同时通过无线网络将机器人的位置信息传递到信息.
远程服务器上去,终端设备可以在任何时间和地点查在这里首先给出几个时间定义及公式:
看机器人的位置和状态,也可以下发指令对机器人进Tf=T2-T1=T4-T3(1)
行控制和状态调整.
其中,Tf为在目标A与目标B之间无线信号传输所用
的时间.
基站
Tdb=T3-T2(2)
路由器服务器
其中,Tdb为目标B处理目标A发送的信息时间,其可
机器人
以通过目标B的发送时间标签与接收时间标签之差
获得.
基站基站
Tra=T4-T1(3)
终端设备
其中,Tra是目标A发送信息到其接收目标B返回信息
图1系统结构图的时间间隔,该间隔可以通过目标A接收时刻的时间
系统的超宽带无线收发模块选用半导体公司标签与其发送时刻的时间标签之差获得.
目标计算与目标之间的距离为
DecaWave推出的DWM1000模块,基站与路由器的无AB:
(T-T)+(T-T)
线网络通信采用ESP8266网络WiFi模块,服务器采D=4321=(T-T)/2×C(4)
2radb
用IIS提供的Web服务,终端设备可以是计算机,手
其中,D为目标A与B的距离,C为无线电波的传输速
机,平板等可上网设备.

2TWR测距算法及改进Tra是由目标A的时钟计算得来,其中Tdb是根据目标
B提供的时钟得来,这样就存在目标A与目标B时钟
双向测距(TWR)是通过用无线电波的速度与飞
不同步偏差造成的误差根据式可以看出存在目
行时间的乘积来确定两个物体之间的距离,信号的飞.(4)
标A与目标B的时钟不同步的问题,由于时钟不同步
行时间是测量距离的关键[3-9].图2给出了双向测距过
,图3给出改进的原理图.
T1T2T3T4
T1T2T3T4T5T6
A
A
BB
T1T2T3T1T2T3T4T5T6
图2TWR测距图3改进TWR测距
102系统建设SystemConstruction
万方数据
2021年第30卷第1期-s-
在图3中增加了一次目标A做处理后再次发送给微秒级的误差,在计算过程中相差103的数量级,因此
目标B的应答信号,该信号中带有T1,T2,T3,T4,T5的时式(11)与式(14)
间标签,由图3可以得到目标A与目标B的距离公式:T∀在实际中是远小于Tdb,故T∀(Ae-Be)C/4远小于
-/
Tf=T4-T3=T6-T5(5)Tdb(AeBe)C2,因此式(14)的误差远小于式(11)的
误差,计算误差得到了改善.
其中,Tf为在目标A与目标B之间无线信号传输所用
的时间.
3定位与WiFi数据传输
Tda=T5-T4(6)
通过上面改进的TWR双向测距可以获得室内机
其中,Tda为目标A处理目标B发送的信息时间,其可以
器人与基站的距离,由于是室内测距,为了方便计算将
通过目标A的发送时间标签与接收时间标签之差获得.
基站的高度与机器人的UWB标签放在同一高度,这
Trb=T6-T3(7)
样就可以如图4的TOA原理计算机器人的位置[10-14].
其中,Trb是目标B发送信息到其接收目标A返回信息
的时间间隔,该间隔可以通过目标B接收时刻的时间
标签与其发送时刻的时间标签之差获得.
目标A计算与目标B之间的距离为:基站2
--基站1
(T4T3)(T6T5)D2
D==(Trb-Tda)/2×C(8)
2交点P
D1
式(4)与式(8)相加可以得到如下公式:
D3
D=((Trb-Tdb)+(Tra-Tda))/4×C(9)
上面的公式解决了目标A与目标B时钟不同步基站3
偏差造成的误差,因为在计算距离的时候都使用的自
身时钟进行计算下面分析式与式自身时钟频
.(4)(9)
率偏差对测距产生的影响,由于存在时钟偏差,式(4)图4TOA定位
的带偏差的实际公式是:
=-+-/由图4可以得到方程组:
Dr1((T4T3)(T2T1))2
=(T(1+A)-T(1+B))/2×C(10)(x-x)2+(y-y)2=D2
raedbe111
(x-x)2+(y-y)2=D2(15)
其中,Ae是目标A的时钟频率误差,Be是目标B的时222
-2+-2=2
钟频率误差,实际的误差由式(10)与式(4)做差得到:(xx3)(yy3)D3
其中是基站的横坐标是基站的纵坐标是机器
DE1=Dr1-D=(TraAe-TdbBe)/2×C,xi,yi,Di
=TfAeC+Tdb(Ae-Be)C/2(11)人与基站的距离,
于在室内3个基站可以覆盖千平方米的范围,可以将
Dr2=((Trb-Tdb)(1+Be)
+(Tra-Tda)(1+Ae))/4×C(12)基站放于平面的坐标原点,和x,y轴上,这样更便于计
实际的误差由式(12)与式(9)做差得到:算,如果将基站1定位原点,基站2在x轴,基站3在y
轴上,方程组(15)变成方程组(16)运算速度大大加快.
DE2=Dr2-D=((Trb-Tdb)Be
+-/×
(TraTda)Ae)4C(13)x2+y2=D2
1
222
若设T=T+T∀,则式(13)变换为:(x-x)+y=D(16)
dadb22
2+-2=2
DE2=Dr2-D=Tf(Ae+Be)C/2x(yy3)D3
+-/
T∀(AeBe)C4(14)如果条件不允许将基站与机器人UWB标签放于
由于是室内定位距离计数单位是米,因此Tf的数同一高度,那么只需要给出基站的高度可以将基站通
量级是纳秒级,在式(11)与式(14)中Ae是目标A的时过数学公式转换到与机器人的UWB标签在同一高度
钟频率误差,Be是目标B的时钟频率误差其数量级是如图5所示.
SystemConstruction系统建设103
万方数据
计算机系统应用-s-
位置的实际坐标用黑色点表示,改进算法测量的随机
Dt
位置坐标用灰色点表示,圆圈表示误差在6cm的范围.
基站离
地距离
D机器人定位显示
H
UWBb
H
离地距离r
图5位置换算
图中是基站与机器人标签实测距离是基
5Dt,Hb
站离地面距离,H是机器人UWB标签离地面距离,从
图中看基站与机器人不在同一高度,通过式(17)可以开始显示
结束显示
将实测距离换算成同一高度的距离,这样就提高了运

在实际应用中在参数设置界面给出基站的离地距
图8是未改进的算法测得的数据,在图中随机位
离Hb,Hr是机器人UWB标签离地面距离,由于机器人
置的实际坐标用黑色点表示,未改进算法测量的随机
高度一定,所以可以自行标定,如果机器人高度变化了,
位置的坐标用灰色点表示,圆圈表示误差在8cm的范
(17),进行位置换
,图7的定位基本
算,减小计算量.
√都在圆圈范围内,定位精度要高于图8所示.
22
D=Dt-(Hb-Hr)(17)
机器人定位显示
数据传输到服务器采用无线以太网模式,其整体
结构如图6所示.
SPIUART
DW100模块MCUESP8266
图6通信结构
开始显示
结束显示
图6中DW100模块将时差的标签数据通过
SPI接口传送到MCU,这里MCU是中央处理器,其进图8未改进算法的位置检测
行机器人位置的计算,然后将计算机结果通过UART
通过两组对比实验,从每组中各随机抽取7个实
接口传送给ESP8266,再由其传输到服务器进行存贮
验数据并计算偏差与偏差的平均值,在表1中可以看

到算法改进组的误差明显低于算法未改进组的误差.
的,其要传输数据给Web服务器需要使用HTTP协议,
表1误差表(单位:cm)
所以在TCP/IP协议的数据部分是HTTP报头与其内
实际距离改进组绝对误差误差均值未改进组绝对误差误差均值
部的数据,
中包括时间、机器人的坐标、状态等内容[15].6035931059013

826830483812
4实验与结论872868485121
实验场地在长30米宽20米的室内进行,取了907907092619
1016**********
30个随机位置,通过测量随机位置的坐标和通过本系

图7是通过改进的算法测得的数据,在图中随机了说明,给出了改进的TWR算法,
104系统建设SystemConstruction
万方数据
2021年第30卷第1期-s-
各基站时钟不同步问题,,2017,47(14):151-161.
,调8HuangCN,-basedindoorlocationsystem
byk-nearestneighboralgorithmwithweightedRSSI.
整了基站与UWB标签的位置,给出了在两者不在同
ProcediaComputerScience,2011,5:58-65.[doi:/
一水平面是的调整算法,,此
]
系统定位精度达到6cm以内,很好地提高了定位精度,
9LindoA,GarcíaE,UreñaJ,
同时本系统还可以通过网络查看位置与状态,
,2015,15(12):7190-7199.[doi:/
]
参考文献10孙晔,肖竹,李小蓓,
,2019,49(2):6-10.[doi:
1李博心,祁浩然,鲁祥,
.1671-]
元器件与信息技术,2020,4(1):47-50.
11洪伟,蔺诚毅,
2于海洋,曹俊,.
,2019,48(1):
数字技术与应用,2020,38(3):138-139,142.
38-41.
3彭笑,张丹红,熊斌宇,
12王静蕾,
(自然科学版),2018,
,2019,27(3):142-145.[doi:/
43(5):1803-1810.
-]
,
13李依泽,陆超,王印峰,
2019,50(7):140-142,,2019,43(3):777-783.
5卞佳兴,朱荣,-到达时间差定14GaoSH,ZhangSJ,WangG,-ordercone
,2017,37(9):2496-relaxationforTW-TOA-basedlocalizationwithclock
2500,2511.[doi:.1001-],2016,23(8):
6方文浩,陆阳,-1051.[doi:.2580743]
,2018,38(7):1989-,
7温培博,李行健,,2019,19(10):63-66.
SystemConstruction系统建设105
万方数据