基于移动机器人的无线信号源定位
文章来源:博能科技 发布时间:2017-12-01 访问量:人
基于移动机器人特定信号源的定位是指在基于ROS(Robot Operating System,机器人操作系统)控制下单个移动机器人对特定信号源的检测并且定位。应用的背景为在地震、火灾等相对极端条件的情况下,由于未知环境具有一定危险性等限制,使得搜寻人员没有办法正常进行搜索某些能够发射无线信号的重要物件时候,可以采用此系统,在远端操控机器人,利用摄像头获取机器人观测到环境的景象,并且构建未知环境的地图,最终通过感知的无线信号来定位能够辐射或发射特定频率信号物件,因此达到代替人工寻找并且定位此物件的目的。
成果内容提要:
利用搭载激光、摄像头三轮全向式的移动底盘搭建机器人硬件的平台,将ROS(Robot Operating System)作为机器人的探测、定位信号源的软件平台,运用机器人SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,地图创建跟同时定位)技术进行机器人在未知环境中的地位跟环境创建,并且在机器人上加载摄像头,回传机器人在未知环境中的景象。在信号源的选择上面,由于UWB不必使用载波的信号进行调制,而是使用纳秒级窄脉冲来直接传递的信号,因此其频谱范围非常的宽,能够在信噪比非常低的状态下工作而且UWB具有极高时间分辨率和良好的抗多径的能力,因此采用UWB作为未知环境中信号源,提高信号源检测的成功率以定位的准确性。
在远程控制机器人移动的过程中,将机器人移动过程中的四个停驻点确定为节点,并且获取机器人在地图中的相对的位置,同时利用了UWB信号接收器获取机器人停驻的点与信号源之间相对的距离,根据反向运用三角定位法的原理,计算信号源在地图中位置。在数据可视化的方面,利用ROS中的RVIZ的工具,将构建的未知环境地图,机器人实时的位置,摄像头数据及信号源在地图中的位置呈现给操作的人员,便于操作人员直观地感跟信号源在未知环境中的具体的情况。
理想情况下能够利用三角定位法计算出信号源坐标,但在测算过程中由于受到各种干扰影响,因此测量信号源跟机器人之间距离存在一定的误差,简单利用三角定位方法没有办法法获得信号源位置的解析解。为此,考虑建立优化目标函数,使计算得到的信号源位置与三个基站之间的距离最符合测量数据。
成果内容提要:
利用搭载激光、摄像头三轮全向式的移动底盘搭建机器人硬件的平台,将ROS(Robot Operating System)作为机器人的探测、定位信号源的软件平台,运用机器人SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,地图创建跟同时定位)技术进行机器人在未知环境中的地位跟环境创建,并且在机器人上加载摄像头,回传机器人在未知环境中的景象。在信号源的选择上面,由于UWB不必使用载波的信号进行调制,而是使用纳秒级窄脉冲来直接传递的信号,因此其频谱范围非常的宽,能够在信噪比非常低的状态下工作而且UWB具有极高时间分辨率和良好的抗多径的能力,因此采用UWB作为未知环境中信号源,提高信号源检测的成功率以定位的准确性。
在远程控制机器人移动的过程中,将机器人移动过程中的四个停驻点确定为节点,并且获取机器人在地图中的相对的位置,同时利用了UWB信号接收器获取机器人停驻的点与信号源之间相对的距离,根据反向运用三角定位法的原理,计算信号源在地图中位置。在数据可视化的方面,利用ROS中的RVIZ的工具,将构建的未知环境地图,机器人实时的位置,摄像头数据及信号源在地图中的位置呈现给操作的人员,便于操作人员直观地感跟信号源在未知环境中的具体的情况。
理想情况下能够利用三角定位法计算出信号源坐标,但在测算过程中由于受到各种干扰影响,因此测量信号源跟机器人之间距离存在一定的误差,简单利用三角定位方法没有办法法获得信号源位置的解析解。为此,考虑建立优化目标函数,使计算得到的信号源位置与三个基站之间的距离最符合测量数据。
但是在实验过程当中,由于无线信号容易受到干扰,采用了三个基站时计算得到的信号源位置的误差较大。为增加定位精度跟准确性,经过多次测算以及实验后,对距离信号源最近目标函数误差项进行加权,并且在目标函数中增加了冗余项,实现了对目标函数的优化,有效的提高了定位精度,进一步提高定位算法的鲁莽性。
通过以上步骤的反复计算信号源的坐标,并且不断在远端控制机器人逼近信号源,最终实现对信号源的准确的定位,完成定位任务。通过对信号源进行实验的 测量,在0.5m-1.5m内UWB测距精度较高,因此当测得机器人距离信号源0.5m-1.5m时认为已获得信号源的精确位置,至此,完成信号源定位的任务。
通过以上步骤的反复计算信号源的坐标,并且不断在远端控制机器人逼近信号源,最终实现对信号源的准确的定位,完成定位任务。通过对信号源进行实验的 测量,在0.5m-1.5m内UWB测距精度较高,因此当测得机器人距离信号源0.5m-1.5m时认为已获得信号源的精确位置,至此,完成信号源定位的任务。
这项成果能够应用于地震、火灾等危险场所中重要物件准确的搜索。事先将信号源植入重要的物件,当发生意外事故的时候,能够操作机器人进入危险环境,构建环境地图,实时回传环境的图像,并且标识重要物件在地图中的位置,从而在避免人员伤亡的前提下,将未知环境和重要物件的具体情况提供给决策的人员,达到情报侦查目的。