Résumé:
Visant les robots mobiles à l'intérieur ciblant une mauvaise flexibilité et la précision n'est pas élevé, la conception du système de robot mobile de haute précision intérieure positionnement basé sur Ultra-Wideband (UWB) est. Système radio UWB modules réseau de capteurs sans fil, comprend une station de base (Records) et l'étiquette (Tag) est monté sur le dessus du robot mobile. tag asymétrique bilatérale technique allant à deux voies (ADS-TWR) pour obtenir des informations de distance entre les stations de base, pas de synchronisation d'horloge entre la station de base et l'étiquette, la station de base et la station de base. Positionnement des transmissions WiFi à partir de la station de base à l'ordinateur hôte, afin d'optimiser l'information de distance à partir des informations d'algorithme de filtre de Kalman. Les résultats des tests montrent que le système a une mise en page simple, de haute précision, hautes caractéristiques à temps réel, erreur de positionnement fixe est à moins de 13 cm, une erreur de position dynamique est inférieure à 20 cm.
format de citation chinois: Lu Jingyu, Yu Wentao, Zhao, etc. La conception du robot mobile ultra-large bande à base de système de positionnement à l'intérieur Electronic Technology, 2017,43 (5): 25-28.
Anglais format de citation: Lu Jingyu, Yu Wentao, Zhao Xin, et al. Conception du système de positionnement à l'intérieur pour robot mobile sur la base ultra-large bande .Application Technique électronique, 2017,43 (5): 25-28.
0 introduction
robot mobile positionnement de navigation autonome est dans ses aspects fondamentaux du problème est de déplacer le robot pour accomplir la tâche qui doit être pris en compte. Exigences pour le ciblage d'une grande précision de positionnement (précision sous-mètre), bien réel. Le positionnement de la chambre de robot mobile actuel divisé en deux catégories: (1) la méthode de positionnement relatif, à savoir l'estime . Le robot équipé de différents capteurs qui acquièrent les informations dynamiques du mouvement du robot, par rapport à l'état initial du robot est obtenu par la formule de récurrence de la position estimée accumulée. Le capteur utilise une roue de codage et le principal capteur inertiel. Mais ils ont un inconvénient commun: il est accumulé erreur, avec le temps de plus en plus Voyage et de la distance, l'erreur augmente, et ne convient pas pour un positionnement précis de longues distances longues. (2) Méthode de positionnement absolu, à savoir, en obtenant le robot connu emplacement de certaines informations de référence externe, en calculant le rapport entre lui-même et être calculé en fonction de leurs informations de position. Procédé de positionnement absolu est essentiellement synchrone localisation et de cartographie (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM), méthode de positionnement visuel et un procédé basé sur le positionnement de la balise. Procédé SLAM dans lequel le positionnement et le volume de données de positionnement visuel, coûteux, actuellement uniquement pour la recherche expérimentale. De plus, les deux méthodes ne concernent que à quelques structure simple de l'environnement, au travail général de robots mobiles et l'environnement intérieur sophistiqué ne peut pas fournir une bonne précision de positionnement. En conséquence, le présent système est sélectionné pour atteindre le robot se déplace Procédé de positionnement intérieur dans UWB complexe intérieur balise de positionnement sur la base.
le signal UWB ayant une très haute résolution, les effets de trajets multiples, la pénétration et les avantages de la structure simple, la meilleure technologie est intérieure positionnement de précision élevée . UWB est une méthode de ciblage commune basée sur l'heure d'arrivée (heure d'arrivée, TOA) et la différence Méthode temps d'arrivée (Différence heure d'arrivée, TDOA). Cependant, cette méthode nécessite TOA entre l'étiquette et la synchronisation de l'horloge de station de base, le procédé TDOA nécessite une synchronisation d'horloge entre la station de base et la station de base, ce qui augmente la difficulté de conception du système.
La technologie UWB base, decaWave produit DWM1000 modules, applications bilatérales asymétriques à deux voies allant (asymétrique à double face Plage à deux voies, l'ADS-TWR) la technologie est positionnée, sans que l'horloge entre la station de base et la station de base et la station de base et la balise synchronisation, ce qui réduit considérablement la complexité de la conception du système. Pour des applications pratiques, la erreur de mesure due à la propagation NLOS, allant algorithme de filtre de Kalman pour optimiser la précision de l'alignement est améliorée. La réalisation finale de robots précis, en temps réel haut mobile système de positionnement à l'intérieur.
1 conception du système
Robot mobile intérieure système de positionnement est constitué d'un réseau de capteurs sans fil UWB et d'un logiciel d'affichage de l'ordinateur hôte composé de deux parties, le système représenté sur la figure 1 .. Le matériel du système comprend une station de base et une étiquette est attachée à la partie supérieure du robot mobile. Dans lequel la station de base est divisée en une station de base ordinaire (station de base 2, la station de base 3 et la station de base 4) et la station de base de communication (station de base 1). Et une station de base par une étiquette de module de communication et de la composition SCM DWM1000 constitué par le rôle du module de configuration logicielle (tag ou une station de base). point temporel de mesure DWM1000 peut être transmis avec précision et a reçu le signal UWB, une distance entre les stations de base respectives par la technologie ADS-TWR à étiquette mesurée en utilisant une fonction de communication UWB, chaque station de base transmet les informations de distance à la station de base de communication, la distance enfin via WiFi les informations sont transmises à l'ordinateur hôte positionné et affiché. Comme le montre la (étiquette non une station de base ordinaire et un module Wi-Fi), un schéma de configuration matérielle d'une station de base de communication sur la figure 2.
Optimisation 2 allant et de la technologie ADS-TWR
Sans fil système de localisation de la précision du positionnement dépend de la précision de la mesure de la distance. les sources d'erreur standard des systèmes UWB positionnement due à une erreur NLOS en outre, comprenant en outre une erreur de dérive d'horloge à cristaux causé. La dérive de l'horloge à cristaux va affecter la transmission de signal de mesure et les points de réception du temps, ce qui à son tour affecter la précision de mesure de distance. La façon la plus simple allant du système de positionnement UWB est un sens unique allant (One Way Allant, REO), mais cette synchronisation d'horloge entre les nuds nécessite très stricte, et dans les deux sens télémétriques (Two Way Allant, TWR), été en mesure d'éliminer les nuds pas affecter complètement la synchronisation entre, mais ne peut pas éliminer l'influence de la dérive d'horloge de cristal. symétrique allant dans les deux sens bilatéral (symétrie double face à deux voies Range, SDS-TWR) peut éliminer l'influence de la dérive d'horloge de cristal, mais nécessite exactement égale le temps de réponse du signal, ce qui réduit considérablement l'emplacement en temps réel . L'ADS-TWR utilise des techniques allant.
, L'étiquette sortante figure pollTX, pollRX, answerTX, answerRX, finalTX, finalRX et le point temporel du signal représentatif UWB de l'antenne de station de base 3 ADS-TWR processus allant représenté sur la figure. Procédé de télémétrie est comme suit: d'abord, la demande d'étiquette à la trame de base; la station de base reçoit la trame de demande de début de comptage transmet une trame de réponse à l'étiquette après un certain Treply1 de retard; réponse d'étiquette est reçue après le laps de temps de début et l'heure de transmission et de réception de signaux où l'écriture cadre d'extrémité de la station de base après un retard Treply2; base transceiver station après la fin de la trame indique la fin de la portée.
La distance est calculée comme indiqué dans la formule (1) et (2):
Dans lequel, l'étiquette KT et ka et une horloge station de base de coefficients de décalage, à la fois proche de 1. Pour l'horloge 20 ppm (pire horloge standard), le ka et kt peuvent être 0.999 ou 1.0009802. Pour une telle plage de distance relativement grande 100 m, Ttof seulement 333 ns, temps de l'erreur de mesure de vol est de 6,7 ps, l'erreur est seulement en termes de distance de 2,2 mm. Ainsi, l'impact allant de la dérive d'horloge ADS-TWR peut bien être supprimée.
ADS-TWR ne nécessite pas un temps de réponse allant et Treply2 Treply1 égales. Ainsi, quand une pluralité de stations de base communiquant avec une étiquette, l'étiquette peut réduire le temps en fixant un temps de réponse allant de chaque noeud, pour que le système de localisation en temps réel.
La figure 4 est un mécanisme de mesure de distance à postes multiples est employé ici. Tag envoie une trame de demande pour les quatre stations de base, la station de base reçoit la trame de demande est transmis de manière séquentielle en fonction du temps de réponse de l'ensemble de trames de réponse d'étiquette, l'étiquette reçoit la trame de réponse, la station de base 4 pour calculer les paramètres de la trame d'écriture de fin, et envoyé à toutes les stations de base, les stations de base recevant la trame de fin à la fin de la portée. La station de base utilise la formule (1) et (2) calculer la distance, puis transmis à la station de base de communication par UWB. En pratique, pour un système de positionnement de station de base quatre, en optimisant le temps de réponse de chaque station de base, la période allant du temps de faire une seule commande de roue d'environ 2 ms, satisfaire pleinement les exigences de positionnement du robot mobile en temps réel.
3 algorithme de positionnement basé sur le filtrage de Kalman
Les robots mobiles dans les activités d'intérieur, inévitablement Influencé bloqués. Entre la station de base et l'étiquette ou de la présence du revêtement de siège, et al., Lorsque le signal UWB ne peut pas être une ligne droite, mais par diffraction, la transmission et la réflexion de la façon d'atteindre l'extrémité de réception, il est étalé NLOS (NLOS). Ensuite, le système pour mesurer le temps de vol est qu'il y aura des erreurs, mais la précision de positionnement aura des erreurs. erreur NLOS par l'impact de l'environnement intérieur, est la valeur d'un changement en temps réel. Etant donné que le non-ligne de temps de propagation de visée et augmente la propagation de la distance de propagation du signal, et donc soumis à une erreur moyenne NLOS positif processus aléatoire .
Supposons qu'à l'instant t à partir de la station de base en tant que balise di (t), ri (t) représente la distance réelle entre les deux, Ni (t) représente l'erreur observée NLOS causée par des facteurs environnementaux, ni (t) est égal à zéro moyenne du bruit gaussien, représenté par la formule suivante peut être utilisée si la relation entre eux:
Dans cet article, l'algorithme de filtre de Kalman pour optimiser la distance, la valeur d'erreur NLOS du processus itératif de manière à réduire l'erreur de positionnement. Tout d'abord, le signal de vecteur d'état du filtre de Kalman en utilisant l'équation, la valeur estimée de l'erreur NLOS de Ni (t) et (t) l'élimination de l'erreur NLOS, résultant de la valeur de la valeur de distance initiale de la distance di précis . système d'équations de l'Etat et de mesure est la suivante:
Dans lequel, At est l'intervalle d'échantillonnage; d (t) et N (t) sont les composants d'erreur de bruit du processus de mesure, bêta paramètre expérimental]; vi (t) est l'erreur de mesure. Une fois la valeur initiale du vecteur d'état et covariance de l'erreur d'estimation est alors donné le temps t, nous pouvons faire une estimation du vecteur d'état à des moments différents par itération. Étant donné que l'erreur NLOS a un non-négatif, de sorte que Ni (t) sera négative forcé à zéro dans un processus itératif.
La station de base et les coordonnées de l'étiquette à partir de la station de base pour obtenir les équations suivantes:
Où (xi, yi, zi) les coordonnées de la station de base i, di est le filtre de Kalman optimisé après la distance entre la station de base d'étiquette i. Avec le i-ième équation moins l'équation j-e était:
4 essais du système
Location of experimental 12 m × 8 × m 6 m Nankai laboratoire micro-nanofabrication, l'interférence NLOS dans cet environnement sont très graves. Pour réduire l'erreur humaine de mesure causée par le chemin réel, les résultats expérimentaux par rapport au résultat de positionnement présente laboratoire Qualisys mouvement en trois dimensions système d'acquisition vidéo. En obtenant le résultat de positionnement Qualisys système passif est fixé sur l'étiquette placée précision submillimétrique peut être atteint. photographie de scène de test représenté sur la. figure 5, l'étiquette attachée à l'extrémité du robot mobile.
Test du système est divisé en deux parties, la statique et des expériences de point de positionnement du point dynamique. 10 points choisis au hasard dans la position de test, le site d'essai de point, des expériences de localisation ont été effectués, chaque emplacement de point de données 500 ont été recueillies. Les résultats représentés sur la figure 6, dans lequel les carrés représentent les résultats mesurés système Qualisy, le présent système de positionnement des points noirs résultat.
Utilisation de l'analyse de l'erreur quadratique moyenne (RSME) de données expérimentales, les résultats présentés dans le tableau 1. Comme on le voit, dans l'environnement NLOS à l'intérieur, le procédé de positionnement basé sur le filtre de Kalman est positionné dans l'erreur de pointage peut être contrôlée à moins de 13 cm.
L'emplacement actuel du robot mobile est en outre la demande, sélectionner de manière aléatoire une étiquette à une vitesse de 1 m / s en se déplaçant le long de l'itinéraire défini, les résultats d'essai représentés sur la figure 7, dans lequel un résultat de positionnement est un noir Qualisys système de rails, de la lumière suivre le positionnement des résultats de conception du système. Les balises peuvent être vus à partir de la cible estimée distance maximale de 20 cm, pour assurer la précision de positionnement des déplacements de robots mobiles.
5 Conclusion
Visant les robots mobiles à l'intérieur ciblant une mauvaise flexibilité et la précision n'est pas élevé, l'utilisation de la technologie UWB, conçu un robot mobile avec système de haute précision de positionnement à l'intérieur. aspect en temps réel et la précision de la gamme allant de la technologie ADS-TWR pour assurer que le système de positionnement; méthode du filtre de Kalman d'autre part le positionnement d'erreur NLOS filtré, le système pour assurer la précision du positionnement. Les expériences montrent que le système a une grande précision, une grande stabilité, et l'emplacement intérieur plein rond pour répondre aux besoins des robots mobiles.
références
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Informations sur l'auteur:
Lujing Yu 1,2, 1,2 Yuwen Tao, Zhao 1,2, 1,2 Sunguang Yi
(École d'informatique et d'ingénierie de contrôle, Université Nankai, Tianjin 300350; 2. Tianjin laboratoire clés de la technologie Intelligent Robot, Tianjin 300350)
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