CN107179080B - 电子设备的定位方法和装置、电子设备、电子定位*** - Google Patents

电子设备的定位方法和装置、电子设备、电子定位*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子设备的定位方法和装置、电子设备、电子定位***。其中，该方法包括：根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及目标电子设备在第二时刻相对于第一时刻的状态增量计算目标电子设备在第二时刻的预估位姿，其中，第一时刻位于第二时刻之前；获取对信标进行探测得到的第一探测数据，其中，第一探测数据携带了信标和目标电子设备的相对位置信息；筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据；根据第一目标探测数据对信标地图和目标电子设备在第二时刻的预估位姿进行修正；将修正后位姿作为目标电子设备在第二时刻的位姿。本发明解决了现有技术中电子设备定位准确度低的技术问题。

Description

电子设备的定位方法和装置、电子设备、电子定位***
技术领域
本发明涉及电子设备领域，具体而言，涉及一种电子设备的定位方法和装置、电子设备、电子定位***。
背景技术
同时定位与地图构建(SLAM)是移动机器人(例如地面机器人、空中无人机)自主定位导航的核心技术之一。在未知环境中，机器人通过自身配备的传感器(例如编码器里程计、惯性测量单元、单目或立体摄像头、激光或超声测距传感器等)获取自身状态和周围环境的信息，在线实时估计自身位姿并增量式构建环境地图。传统传感器在环境感知方面存在诸多不足，如探测范围有限、局部特征信息缺失、特征信息匹配困难等，导致定位准确度低。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种电子设备的定位方法和装置、电子设备、电子定位***，以至少解决现有技术中电子设备定位准确度低的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种电子设备的定位方法，包括：根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及所述目标电子设备在第二时刻相对于所述第一时刻的状态增量计算所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿，其中，所述第一时刻位于所述第二时刻之前；获取对信标进行探测得到的第一探测数据，其中，所述第一探测数据携带了所述信标和所述目标电子设备的相对位置信息；筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据；根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正；将修正后位姿作为所述目标电子设备在所述第二时刻的位姿。
进一步地，筛选出满足第一预设条件的第一探测数据包括：判断所述第一探测数据是否为初次探测第一信标得到的探测数据，其中，所述第一信标是所述第一探测数据携带的信标标识指示的信标；如果所述第一探测数据为初次探测所述第一信标得到的探测数据，确定所述第一探测数据满足所述第一预设条件。
进一步地，根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正，包括：根据所述第一目标探测数据在所述信标地图中绘制所述第一信标。
进一步地，在判断所述第一探测数据是否为初次探测第一信标得到的探测数据之后，所述方法还包括：如果所述第一探测数据不是初次探测所述第一信标得到的探测数据，计算所述第一探测数据的可信度；将所述第一探测数据的可信度与预设阈值进行比较；在所述第一探测数据的可信度大于等于所述预设阈值的情况下，确定所述第一探测数据满足所述第一预设条件。
进一步地，根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正，包括：根据所述第一目标探测数据在所述信标地图中更新所述第一信标的位置。
进一步地，计算所述第一探测数据的可信度包括：根据所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿和所述信标地图中所述第一信标的位置计算所述第一信标的推测观测数据；计算所述第一探测数据指示的位置与所述推测观测数据指示的位置之间的距离；根据所述距离计算所述第一探测数据的可信度。
进一步地，在得到第一目标探测数据之后，所述方法还包括：根据所述第一目标探测数据计算所述目标电子设备的运动轨迹。
进一步地，在根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正之前，所述方法还包括：获取对周围环境进行探测得到的第二探测数据；筛选出满足第二预设条件的第二探测数据，得到第二目标探测数据；根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正包括：根据所述第一目标探测数据、所述第二目标探测数据对环境特征地图、信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子设备的定位装置，包括：计算单元，用于根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及所述目标电子设备在第二时刻相对于所述第一时刻的状态增量计算所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿，其中，所述第一时刻位于所述第二时刻之前；获取单元，用于获取对信标进行探测得到的第一探测数据；筛选单元，用于筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据；修正单元，用于根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正；确定单元，用于将修正后位姿作为所述目标电子设备在所述第二时刻的位姿。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括：电机，所述电机上设置有锚节点，所述电机用于通过自身的转动使所述锚节点的方向发生变化；锚节点，所述锚节点上至少设置有第一天线和第二天线，所述第一天线和所述第二天线满足垂直极化条件，并且，所述第一天线和所述第二天线之间的距离小于等于目标波束的半波长，其中，所述目标波束为信标发射的波束；传感器，用于探测所述目标电子设备的状态变化；电子设备的定位装置。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子定位***，包括：至少一个信标；电子设备。
在本发明实施例中，根据目标电子设备在前一时刻的位姿信息、目标电子设备在后一时刻相对前一时刻的状态增量计算目标电子设备在后一时刻的预估位姿，对信标和目标电子设备的相对位置进行探测，得到第一探测数据，从第一探测数据中筛选出可信度较高的探测数据，得到第一目标探测数据，根据第一目标探测数据对信标地图和目标电子设备在后一时刻的预估位姿进行修正，将修正后位姿作为目标电子设备在后一时刻的位姿。对固定的信标进行探测，得到探测数据，由于信标是固定的，特征明显，易于探测，基于目标电子设备与信标的相对位置进行目标电子设备的定位，并且不断根据可信度高的探测数据对目标电子设备的位姿进行修正，达到了提高电子设备定位准确度的技术效果，进而解决了现有技术中电子设备定位准确度低的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种电子设备的定位方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的TWR方法的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种机器人的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种电子设备的定位方法的示意图；
图5是根据本发明实施例的一种电子设备的定位装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
首先对本发明实施例所涉及的技术术语作如下解释：
UWB(Ultra-Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至亚纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，近年来越来越多开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位；
TWR(Two-way Ranging)是一种双向测距的方法。两个通信单元根据相互发送和接收信号的时间差值推算信号飞行时间，并计算通信单元之间的距离。
PDOA(Phase Difference of Arrival)：一种利用相位差进行定位的方法。通过测量信号到达多个监测站的相位差，可以确定信号源和监测站的相对距离和角度。
SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同步定位与地图构建)是移动机器人自主定位导航的关键技术之一：机器人从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到的地图特征(如图像特征点等)定位自身位置和姿态，同时根据自身位置增量式的构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。机器人一边探索未知区域，一边建立地图信息，通过即时观测信息与地图中特征信息的匹配，实现对自身位置姿态的估计，同时增量式构建环境地图。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种电子设备的定位方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种电子设备的定位方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及目标电子设备在第二时刻相对于第一时刻的状态增量计算目标电子设备在第二时刻的预估位姿，其中，第一时刻位于第二时刻之前。
步骤S104，获取对信标进行探测得到的第一探测数据，其中，第一探测数据携带了信标和目标电子设备的相对位置信息。
步骤S106，筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据。
步骤S108，根据第一目标探测数据对信标地图和目标电子设备在第二时刻的预估位姿进行修正。
步骤S110，将修正后位姿作为目标电子设备在第二时刻的位姿。
目标电子设备可以是机器人。
可以使用状态估计类内传感器，如惯性测量单元、编码器里程计等获取目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及目标电子设备在第二时刻相对于第一时刻的状态增量。
在空间环境中，每间隔一段距离放置一个信标，保证目标电子设备在运动过程中能观测到至少一个信标。
对信标进行探测，得到第一探测数据。由于对信标进行探测的过程可能会产生较大的误差，即，第一探测数据的准确度有可能较低。为了过滤掉准确度较低的第一探测数据，可以计算第一探测数据的可信度，对于可信度小于预设可信度阈值的第一探测数据，不予采用，进行删除；对于可信度大于等于预设可信度阈值的第一探测数据，将其作为第一目标探测数据。
如果第一目标探测数据是对某一个信标进行第一次探测得到的探测数据，那么根据该第一目标探测数据绘制信标地图。
如果第一目标探测数据不是对某一个信标进行第一次探测得到的探测数据，那么可以根据该第一目标探测数据修正信标地图。
在本发明实施例中，根据目标电子设备在前一时刻的位姿信息、目标电子设备在后一时刻相对前一时刻的状态增量计算目标电子设备在后一时刻的预估位姿，对信标和目标电子设备的相对位置进行探测，得到第一探测数据，从第一探测数据中筛选出可信度较高的探测数据，得到第一目标探测数据，根据第一目标探测数据对信标地图和目标电子设备在后一时刻的预估位姿进行修正，将修正后位姿作为目标电子设备在后一时刻的位姿。对固定的信标进行探测，得到探测数据，由于信标是固定的，特征明显，易于探测，基于目标电子设备与信标的相对位置进行目标电子设备的定位，并且不断根据可信度高的探测数据对目标电子设备的位姿进行修正，解决了现有技术中电子设备定位准确度低的技术问题，达到了提高电子设备定位准确度的技术效果。
现有的SLAM技术主要通过状态估计类内传感器(例如编码器里程计、惯性测量单元)与环境感知类外传感器(测距或视觉传感器)信息融合的方式实现。但这些方法在准确性、稳定性、实时性方面存在诸多不足。例如局部环境特征缺失导致追踪丢失；激光获取的特征点或线难以与地图中的已知信息关联匹配；视觉特征的提取和匹配受光线影响；内传感器误差累积增大；大型场景的地图存储量过大、回环检测难以满足实时性需求；动态变化环境中，SLAM鲁棒性不足等。
UWB是一种基于射频的无载波通信技术，通过TWR、PDOA等信号处理方式可获得UWB锚节点(Anchor)和UWB信标(Tag)的相对位置信息。本发明可以不限于是对UWB技术的运用，其他可用于实施本发明的无载波通信技术也应当受到保护。
通过TWR方法可获得UWB信标相对于机器人的距离d。每次测距需要3次通讯：
a.Tag端发出一个Poll数据包，发出时，Tag记录发送的时间戳tt1；
b.Anchor等待接收，收到Poll数据包后，记录接收时刻的时间戳ta1，并发送一个Response包，记录发送Response的时间戳ta2；
c.Tag端等待接收，收到Response包后，记录接收时刻的时间戳tt2，并计算出需要发送Final包的时间戳tt3，Tag端时钟到达tt3时，发出Final包，Final包中包含3个时间戳信息(tt1，tt2，tt3)；
d.Anchor端收到Final数据包后，记录接收时间戳ta3。此时Anchor已经记录了3个时间戳ta1，ta2，ta3，同时通过读取Final包的内容，也可以得到Tag端的三个时间戳tt1，tt2，tt3；
e.由于Anchor端与Tag端时间不同步，因此需要计算各自的时间差，见图2，其中：
Tround1＝tt2-tt1；
Treply1＝ta2–ta1；
Tround2＝ta3–ta2；
Treply2＝tt3–tt2；
通过PDOA方法可获得UWB信标相对于机器人的距离d和夹角θ。基于PDOA的定位，需要在机器人端安装配备有两根天线的锚节点(Anchor)，且两个Anchor天线之间的距离要小于通讯半波长，同时，需要在其他位置安装一个信标(Tag)，通过检测tag发出信号的相位差，计算两个节点相对的距离d与角度θ。此方法无需在室内布置很多的锚节点，就可以精度较高的获取两个节点之间的相对距离与角度。基于PDOA的方法角度定位精度高，如果将两根天线的Anchor作为一个节点来考虑，那么相当于可以实现“点对点”的相对定位(虽然Anchor端实际上是两个节点，但由于天线可以安装的较近，且两个节点可以布置在同一块PCB上，可以近似的类比为一个节点)。
对于初次探测某个信标得到的探测数据和非初次探测该信标得到的探测数据，处理方法是不同的。
如果第一探测数据是初次探测第一信标得到的探测数据，其中，第一信标是第一探测数据携带的信标标识指示的信标；如果第一探测数据为初次探测第一信标得到的探测数据，确定第一探测数据满足第一预设条件。在这种情况下，根据第一目标探测数据在信标地图中绘制第一信标。
即，如果探测数据是探测某个信标得到的初次探测数据(即，之前从未探测到过这个信标)，则利用该探测数据绘制信标地图，即，将该信标绘制在信标地图中。
如果第一探测数据不是初次探测第一信标得到的探测数据，计算第一探测数据的可信度；将第一探测数据的可信度与预设阈值进行比较；在第一探测数据的可信度大于等于预设阈值的情况下，确定第一探测数据满足第一预设条件。
如果探测数据不是初次探测数据，即，之前已经探测到过这个信标，则需要计算该探测数据的可信度，如果可信度低，则放弃该探测数据；如果可信度高，则利用该探测数据更新信标地图，即，根据第一目标探测数据在信标地图中更新第一信标的位置。
在非初次探测某信标得到探测数据的情况下，通过计算该探测数据的可信度来判断是否使用该探测数据更新信标地图，如果该探测数据的可信度低，说明得到该探测数据的探测过程误差较大，此时放弃使用该探测数据；如果该探测数据的可信度高，说明得到该探测数据的探测过程误差较小，此时根据该探测数据更新信标地图，通过根据探测数据的可信度决定是否根据探测数据对信标地图进行更新，采用可信度高的探测数据对信标地图进行更新，能够将探测误差的影响降低到最小，能够得到准确度更高的信标地图。
上述提到计算第一探测数据的可信度，计算第一探测数据的可信度的过程为：根据目标电子设备在第二时刻的预估位姿和信标地图中第一信标的位置计算第一信标的推测观测数据；计算第一探测数据指示的位置与推测观测数据指示的位置之间的距离；根据距离计算第一探测数据的可信度。
如果第一探测数据指示的位置与推测观测数据指示的位置之间的距离比较接近，例如小于等于预设距离，那么第一探测数据的可信度较高，则将该第一探测数据作为第一目标探测数据。如果第一探测数据指示的位置与推测观测数据指示的位置之间的距离较远，例如大于预设距离，那么第一探测数据的可信度较低，说明该次探测误差较大，将该第一探测数据舍弃不用。
可选地，在得到第一目标探测数据之后，根据第一目标探测数据计算目标电子设备的运动轨迹。由于一次探测中已经获得了目标电子设备在第一时刻、第二时刻的位姿，多次探测中就获得了目标电子设备在多个时刻的位姿，因此，可以根据目标电子设备在多个时刻的位姿计算目标电子设备的运动轨迹。
除了绘制信标地图，该方案还可以绘制环境特征地图。在根据第一目标探测数据对信标地图和目标电子设备在第二时刻的预估位姿进行修正之前，获取对周围环境进行探测得到的第二探测数据；筛选出满足第二预设条件的第二探测数据，得到第二目标探测数据。根据第一目标探测数据、第二目标探测数据对环境特征地图、信标地图和目标电子设备在第二时刻的预估位姿进行修正。
通过在环境中预先部署少量信标，上述探测数据可以为机器人的SLAM过程提供重要的特征信标。借助这些信标，机器人能够实时获得准确、稳定、可分辨的特征信息，简化了特征信息提取和匹配的过程，从而达到改进SLAM***的目的。
本发明实施例提供的电子定位***是一种借助UWB的SLAM***，通过在机器人端安装UWB接收器，在环境中部署少量UWB发射源，为机器人提供稳定可观的特征信息。这些UWB信标具有观测精度高、探测范围广、特征可分辨等性质。通过TWR/PDOA的信号处理方法，机器人能够准确分辨出环境中的UWB发射源信标，并获机器人与UWB信标的相对位置信息。此方法简化了特征信息提取和匹配的过程，弥补了传统环境感知传感器在准确性、稳定性方面的不足，从而实现了实时稳定的SLAM技术，保障了SLAM***的准确性和稳定性。
获取准确稳定的环境特征是SLAM问题的关键。本发明通过TWR、PDOA等信号处理方法，准确分辨出环境中预先部署的UWB发射源，并获得机器人与UWB发射源的相对位置信息(距离d、夹角θ)。借助对这些UWB发射源的观测，本发明解决了环境中特征信息提取和匹配的难点，从而实现实时稳定的SLAM技术。
实施例2
在机器人端选择性配备状态估计和环境感知类传感器：机器人在t时刻可通过状态估计类内传感器，如惯性测量单元、编码器里程计等，获得从t-1时刻到t时刻的状态变化量ut；也可通过环境感知类外传感器，如单目相机、立体相机、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达，获得t时刻的环境观测信息zt。
在SLAM***中配置UWB通信设备：在空间环境中，每间隔一段距离放置一个UWB发射器信标(Tag)，保证机器人在行走过程中能观测到至少一个信标。在机器人端安装UWB的锚节点(Anchor)。Anchor上配备两根天线(也可以多于两根)，这两根天线满足垂直线极化条件，同时两根天线的馈点距离，不超过半波长(如，采用6.5GHz通讯频率，则半波长为23.1mm，两天线馈点距离不能超过这个值)。如图3所示，Anchor安装在某个电机上，电机会带着anchor天线转动，实时对准机器人工作环境中的某个Tag。机器人在t时刻通过此类通信设备获得UWB信标的观测信息yt。
对UWB信标的观测可表示为yt：
Figure BDA0001315725910000091
其中，通过TWR得到的观测信息
Figure BDA0001315725910000092
为UWB信标相对于机器人的距离d；通过PDOA得到的观测信息
Figure BDA0001315725910000093
为信标相对于机器人的距离d和夹角θ。
如图4所示，机器人在运动过程中，通过融合自身装配的传感器获取的数据和对UWB信标的观测数据，对机器人的运动轨迹x0,x1,…xt进行在线估计，并构建环境特征地图mz和UWB信标地图my。由于UWB信标位置固定且特征可分辨，使得UWB地图my在机器人的重定位和适应动态环境等问题中可以发挥重要作用。
实施例3
一种融合机器人状态估计数据(如编码器里程计、惯性测量单元、视觉里程计、视觉惯性里程计)和UWB信标观测信息的SLAM***。该***在线估计机器人运动轨迹和UWB信标地图。
具体步骤如下：
1.机器人位姿x0初始化：若尚未构建UWB地图，可用任意值对机器人的位姿初始化；若已构建UWB地图，根据地图my和UWB观测信息y0计算初始位姿。
2.在机器人运动过程中，获取状态估计传感器数据ut(例如：编码器里程计、视觉惯性里程计等从t-1时刻到t时刻的增量)，根据机器人运动模型更新机器人位姿假设
Figure BDA0001315725910000101
3.获取UWB观测数据
Figure BDA0001315725910000102
例如：通过TWR得到UWB信标相对于机器人的距离d；通过PDOA得到UWB信标相对于机器人的距离d和夹角θ。通过信标的序号判断
Figure BDA0001315725910000103
是否为机器人对信标k的初次观测。
4.若上述信标为初次观测，通过观测信息
Figure BDA0001315725910000104
初始化该信标的位置
Figure BDA0001315725910000105
并将其添加入地图；若上述信标非初次观测，检验该观测信息
Figure BDA0001315725910000106
的可信度(例如：根据机器人位姿
Figure BDA0001315725910000107
和地图中的信标位置
Figure BDA0001315725910000108
推测信标k的观测量
Figure BDA0001315725910000109
计算实际观测信息
Figure BDA00013157259100001010
与推测值
Figure BDA00013157259100001011
的距离
Figure BDA00013157259100001012
若
Figure BDA00013157259100001013
小于阈值ξd，认为观测信息
Figure BDA00013157259100001014
可信，反之不可信)。
5.将所有可信的UWB信标观测作为有效观测信息
Figure BDA00013157259100001015
通过贝叶斯状态估计方法(例如：扩展卡尔曼滤波、粒子滤波、非线性优化等方法)，修正机器人位姿和UWB信标地图
Figure BDA0001315725910000111
6.重复步骤2至步骤5，在线估计机器人运动轨迹和UWB信标地图。
上述步骤中，机器人在t时刻对位姿估计xt可扩展为对运动轨迹xt-i,xt-j,…,xt的估计，其中i,j≥0。
本发明实施例提供的电子定位***是一种借助UWB的SLAM***，通过在机器人端安装UWB接收器，在环境中部署少量UWB发射源，为机器人提供稳定可观的特征信息。这些UWB信标具有观测精度高、探测范围广、特征可分辨等性质。通过TWR/PDOA的信号处理方法，机器人能够准确分辨出环境中的UWB发射源信标，并获机器人与UWB信标的相对位置信息。此方法简化了特征信息提取和匹配的过程，弥补了传统环境感知传感器在准确性、稳定性方面的不足，从而实现了实时稳定的SLAM技术，保障SLAM***的准确性和稳定性。
获取准确稳定的环境特征是SLAM问题的关键。本发明通过TWR、PDOA等信号处理方法，准确分辨出环境中预先部署的UWB发射源，并获得机器人与UWB发射源的相对位置信息(距离d、夹角θ)。借助对这些UWB发射源的观测，本发明解决了环境中特征信息提取和匹配的难点，从而实现实时稳定的SLAM技术。
实施例4
一种融合机器人状态估计数据(例如编码器里程计、惯性测量单元、视觉里程计、视觉惯性里程计)、环境感知数据(例如激光点云、视觉特征点)和UWB信标观测信息的SLAM***。该***在线估计机器人运动轨迹、环境特征地图和UWB信标地图。
具体步骤如下：
1.机器人位姿x0初始化：若尚未构建地图，可用任意值对机器人的位姿初始化；若已构建地图，根据UWB地图my、环境特征地图mz、UWB观测信息y0和环境感知数据z0计算初始位姿。
2.在机器人运动过程中，获取状态估计传感器数据ut(例如：编码器里程计、惯性测量单元等从t-1时刻到t时刻的增量)，根据机器人运动模型更新机器人位姿假设
Figure BDA0001315725910000121
3.获取UWB观测数据
Figure BDA0001315725910000122
例如：通过TWR的信号处理方式得到UWB信标相对于机器人的距离d；通过PDOA的信号处理方式得到UWB信标相对于机器人的距离d和夹角θ。通过信标的序号判断
Figure BDA0001315725910000123
是否为机器人对信标k的初次观测。
4.获取环境特征观测数据
Figure BDA0001315725910000124
并与环境地图mz中的已知特征进行关联匹配(例如：根据视觉特征点描述的相似程度进行特征匹配)，判断提取到的特征
Figure BDA0001315725910000125
是否为初次观测。
5.若上述观测信息
Figure BDA0001315725910000126
或
Figure BDA0001315725910000127
为初次观测，通过观测信息对其空间位置进行初始化，并添加入对应地图；若非初次观测，检验观测信息
Figure BDA0001315725910000128
和
Figure BDA0001315725910000129
的可信度。
6.将所有可信的观测作为有效观测信息
Figure BDA00013157259100001210
通过贝叶斯状态估计方法(例如：扩展卡尔曼滤波、粒子滤波、非线性优化等方法)，修正机器人位姿xt、环境特征地图mz和UWB地图my
Figure BDA00013157259100001211
7.重复步骤2至步骤6，在线估计机器人运动轨迹、环境特征地图和UWB信标地图。
上述步骤中，机器人在t时刻对位姿估计xt可扩展为对运动轨迹xt-i,xt-j,…,xt的估计，其中i,j≥0。此外，若机器人未配备状态估计传感器，上述步骤中，可跳过2，直接通过观测信息估计机器人运动轨迹。
通过在环境中预先部署少量UWB发射标记，上述UWB通信和观测结果可以为机器人的SLAM过程提供重要的特征信标。借助这些UWB信标，机器人能够实时获得准确、稳定、可分辨的特征信息，简化了特征信息提取和匹配的过程，从而达到改进SLAM***的目的。
同时定位与地图构建(SLAM)是移动机器人(例如地面机器人、空中无人机)自主定位导航的核心技术之一。在未知环境中，机器人通过自身配备的传感器(例如编码器里程计、惯性测量单元、单目或立体摄像头、激光或超声测距传感器等)获取自身状态和周围环境的信息，在线实时估计自身位姿并增量式构建环境地图。现有技术中，传统传感器在环境感知方面存在诸多不足，如探测范围有限、局部特征信息缺失、特征信息匹配困难等，导致SLAM技术在准确性、稳定性和实时性等方面长期面临挑战。
本发明实施例提供的电子定位***是一种借助UWB的SLAM***，通过在机器人端安装UWB接收器，在环境中部署少量UWB发射源，为机器人提供稳定可观的特征信息。这些UWB信标具有观测精度高、探测范围广、特征可分辨等性质。通过TWR/PDOA的信号处理方法，机器人能够准确分辨出环境中的UWB发射源信标，并获机器人与UWB信标的相对位置信息。此方法简化了特征信息提取和匹配的过程，弥补了传统环境感知传感器在准确性、稳定性方面的不足，从而实现了实时稳定的SLAM技术，保障SLAM***的准确性和稳定性。
获取准确稳定的环境特征是SLAM问题的关键。本发明通过TWR、PDOA等信号处理方法，准确分辨出环境中预先部署的UWB发射源，并获得机器人与UWB发射源的相对位置信息(距离d、夹角θ)。借助对这些UWB发射源的观测，本发明解决了环境中特征信息提取和匹配的难点，从而实现实时稳定的SLAM技术。
实施例5
根据本发明实施例，还提供了一种电子设备的定位装置。该电子设备的定位装置可以执行上述电子设备的定位方法，上述电子设备的定位方法也可以通过该电子设备的定位装置实施。
图5是根据本发明实施例的一种电子设备的定位装置。如图5所示，该装置包括：计算单元10、获取单元20、筛选单元30、修正单元40、确定单元50。
计算单元10，用于根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及目标电子设备在第二时刻相对于第一时刻的状态增量计算目标电子设备在第二时刻的预估位姿，其中，第一时刻位于第二时刻之前。
获取单元20，用于获取对信标进行探测得到的第一探测数据。
筛选单元30，用于筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据。
修正单元40，用于根据第一目标探测数据对信标地图和目标电子设备在第二时刻的预估位姿进行修正。
确定单元50，用于将修正后位姿作为目标电子设备在第二时刻的位姿。
实施例6
根据本发明实施例，还提供了一种电子设备。该电子设备包括：电机、锚节点、传感器、上述电子设备的定位装置。
电机上设置有锚节点，电机用于通过自身的转动使锚节点的方向发生变化。
锚节点上至少设置有第一天线和第二天线，第一天线和第二天线满足垂直极化条件，并且，第一天线和第二天线之间的距离小于等于目标波束的半波长，其中，目标波束为信标发射的波束。
传感器，用于探测目标电子设备的状态变化。
在机器人端选择性配备状态估计和环境感知类传感器：机器人在t时刻可通过状态估计类内传感器，如惯性测量单元、编码器里程计等，获得从t-1时刻到t时刻的状态变化量ut；也可通过环境感知类外传感器，如单目相机、立体相机、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达，获得t时刻的环境观测信息zt。
在SLAM***中配置UWB通信设备：在空间环境中，每间隔一段距离放置一个UWB发射器信标(Tag)，保证机器人在行走过程中能观测到至少一个信标。在机器人端安装UWB的锚节点(Anchor)。Anchor上配备两根天线(第一天线和第二天线)，这两根天线满足垂直线极化条件，同时两根天线的馈点距离，不超过半波长(如，采用6.5GHz通讯频率，则半波长为23.1mm，两天线馈点距离不能超过这个值)。如图3所示，Anchor安装在某个电机上，电机会带着anchor天线转动，实时对准机器人工作环境中的某个Tag。机器人在t时刻通过此类通信设备获得UWB信标的观测信息yt。
对UWB信标的观测可表示为yt：
Figure BDA0001315725910000151
其中，通过TWR得到的观测信息
Figure BDA0001315725910000152
为UWB信标相对于机器人的距离d；通过PDOA得到的观测信息
Figure BDA0001315725910000153
为信标相对于机器人的距离d和夹角θ。
机器人在运动过程中，通过融合自身装配的传感器获取的数据和对UWB信标的观测数据，对机器人的运动轨迹x0,x1,…xt进行在线估计，并构建环境特征地图mz和UWB信标地图my。由于UWB信标位置固定且特征可分辨，使得UWB地图my在机器人的重定位和适应动态环境等问题中可以发挥重要作用。
实施例7
根据本发明实施例，还提供了一种电子定位***。该电子定位***包括：至少一个信标；以及上述的电子设备。
本发明实施例提供的电子定位***是一种借助UWB的SLAM***，通过在机器人端安装UWB接收器，在环境中部署少量UWB发射源，为机器人提供稳定可观的特征信息。这些UWB信标具有观测精度高、探测范围广、特征可分辨等性质。通过TWR/PDOA的信号处理方法，机器人能够准确分辨出环境中的UWB发射源信标，并获机器人与UWB信标的相对位置信息。此方法简化了特征信息提取和匹配的过程，弥补了传统环境感知传感器在准确性、稳定性方面的不足，从而实现了实时稳定的SLAM技术，保障SLAM***的准确性和稳定性。
获取准确稳定的环境特征是SLAM问题的关键。本发明通过TWR、PDOA等信号处理方法，准确分辨出环境中预先部署的UWB发射源，并获得机器人与UWB发射源的相对位置信息(距离d、夹角θ)。借助对这些UWB发射源的观测，本发明解决了环境中特征信息提取和匹配的难点，从而实现实时稳定的SLAM技术。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电子设备的定位方法，其特征在于，包括：
根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及所述目标电子设备在第二时刻相对于所述第一时刻的状态增量计算所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿，其中，所述第一时刻位于所述第二时刻之前；
获取对信标进行探测得到的第一探测数据，其中，所述第一探测数据携带了所述信标和所述目标电子设备的相对位置信息；
筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据；
根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正；
将修正后位姿作为所述目标电子设备在所述第二时刻的位姿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，筛选出满足第一预设条件的第一探测数据包括：
判断所述第一探测数据是否为初次探测第一信标得到的探测数据，其中，所述第一信标是所述第一探测数据携带的信标标识指示的信标；
如果所述第一探测数据为初次探测所述第一信标得到的探测数据，确定所述第一探测数据满足所述第一预设条件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正，包括：
根据所述第一目标探测数据在所述信标地图中绘制所述第一信标。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在判断所述第一探测数据是否为初次探测第一信标得到的探测数据之后，所述方法还包括：
如果所述第一探测数据不是初次探测所述第一信标得到的探测数据，计算所述第一探测数据的可信度；
将所述第一探测数据的可信度与预设阈值进行比较；
在所述第一探测数据的可信度大于等于所述预设阈值的情况下，确定所述第一探测数据满足所述第一预设条件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正，包括：
根据所述第一目标探测数据在所述信标地图中更新所述第一信标的位置。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算所述第一探测数据的可信度包括：
根据所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿和所述信标地图中所述第一信标的位置计算所述第一信标的推测观测数据；
计算所述第一探测数据指示的位置与所述推测观测数据指示的位置之间的距离；
根据所述距离计算所述第一探测数据的可信度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到第一目标探测数据之后，所述方法还包括：
根据所述第一目标探测数据计算所述目标电子设备的运动轨迹。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正之前，所述方法还包括：
获取对周围环境进行探测得到的第二探测数据；
筛选出满足第二预设条件的第二探测数据，得到第二目标探测数据；
根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正包括：
根据所述第一目标探测数据、所述第二目标探测数据对环境特征地图、信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正。
9.一种电子设备的定位装置，其特征在于，包括：
计算单元，用于根据目标电子设备在第一时刻的位姿信息、以及所述目标电子设备在第二时刻相对于所述第一时刻的状态增量计算所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿，其中，所述第一时刻位于所述第二时刻之前；
获取单元，用于获取对信标进行探测得到的第一探测数据；
筛选单元，用于筛选出满足第一预设条件的第一探测数据，得到第一目标探测数据；
修正单元，用于根据所述第一目标探测数据对信标地图和所述目标电子设备在所述第二时刻的预估位姿进行修正；
确定单元，用于将修正后位姿作为所述目标电子设备在所述第二时刻的位姿。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
电机，所述电机上设置有锚节点，所述电机用于通过自身的转动使所述锚节点的方向发生变化；
锚节点，所述锚节点上至少设置有第一天线和第二天线，所述第一天线和所述第二天线满足垂直极化条件，并且，所述第一天线和所述第二天线之间的距离小于等于目标波束的半波长，其中，所述目标波束为信标发射的波束；
传感器，用于探测所述电子设备的状态变化；
权利要求9所述的电子设备的定位装置。
11.一种电子定位***，其特征在于，包括：
至少一个信标；
权利要求10所述的电子设备。
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