CN114578822A - 一种基于uwb室内定位的智能垃圾回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法及无人物流车,包括在室内布置多个已知坐标的定位基站,在垃圾回收小车上设置定位标签,垃圾回收小车接收到回收垃圾的信号后向指定位置进行移动,移动过程定位标签按照一定的频率发射UWB脉冲,通过UWB脉冲不断和已知位置的定位基站进行信号交互,从而计算出垃圾回收小车的实时位置,再利用实时位置进行路径规划直至抵达指定位置,实现垃圾回收。本发明可以使得人们在无接触的情况下进行垃圾的回收,减少人员接触的次数,避免疫情的传播,此外具抗干扰能力,定位精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾回收技术领域,特别涉及一种基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法及无人物流车。
背景技术
随着人工智能的高速发展和车辆技术的不断提高,智能车的研究与应用越来越成为生产生活的重要方面。作为现代社会的新产物,在智能车上开发出来的各种功能,如自动泊车、防碰撞预警、辅助驾驶***等,可以保证行驶的安全性,进一步提高智能化水平。同时随着疫情的发展,为避免疫情的传播,减少人员接触的次数,垃圾收集等需要每日必做又微小的事情,可以交给智能车来实现。社会发展的同时垃圾袋诞生也越来越多,单一个宿舍每天就能产生大约2L的垃圾,垃圾久储影响周边环境,特别容易腐坏的垃圾更是需要每日清理,智能车的存在及提供了一个很好方式,在不方便的时候可以让智能车帮助人们丢垃圾,以达到疫情控制,减少人力,美化环境的作用。而为了实现智能车帮助人们丢垃圾,必须需要对其进行室内定位以及相关的路径规定。目前国内外室内定位一般有如下几种方法:GPS、超声波、WIFI、UWB、RFID等。其中GPS易受天气、地球自转、卫星运行、云层流动等因素的影响,且在室内信号强度较弱,精度无法满足需求:超声波易产生多径效应和NLOS误差,且频率受多普勒效应和温度影响;WIFI是通过无线接入点组成的无线局域网络,但其定位误差较大,且易受干扰RFID可以在几毫秒内实现厘米级定位,但其作用距离近,且不具通信能力。超宽带(Ultra Wide-Band,UWB)技术是一种脉冲无线电,在很长一段时间内,UWB技术一直应用于军事领域。2002年开始,美国联邦通讯委员会(FCC)才批准将UWB用于民用,并制定了严格的使用规范。超宽带***凭借其远超传统通信***的带宽而具有超低功耗、多径分辨率能力更高、更易于集成、工作时间段、抗多径效应以及定位性能高等优点,故选用超宽带作为智能垃圾回收小车的通信***,可满足移动小车的高精度定位需求。因此,如何利用将超宽带(Ultra Wide-Band,UWB)技术运用到垃圾回收小车上,成为了申请人亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法。本发明可以使得人们在无接触的情况下进行垃圾的回收,减少人员接触的次数,避免疫情的传播,此外具抗干扰能力,定位精度高的优点。
本发明的技术方案:基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,包括在室内布置多个已知坐标的定位基站,在垃圾回收小车上设置定位标签,垃圾回收小车接收到回收垃圾的信号后向指定位置进行移动,移动过程定位标签按照一定的频率发射UWB脉冲,通过UWB脉冲不断和已知位置的定位基站进行信号交互,从而计算出垃圾回收小车的实时位置,再利用实时位置进行路径规划直至抵达指定位置,实现垃圾回收。
上述的基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,所述垃圾回收小车的实时位置的计算是通过在室内布置两个已知坐标的定位基站,定位标签发射UWB脉冲至两个定位基站进而获取定位标签与基站与定位基站的直线距离d1和d2,通过勾股定理:
h2=x12+d12
h2=x22+d22;
式中:h为定位基站的高度,两个定位基站等高;
进而计算得出定位标签与第一个定位基站的水平直线距离x1以及定位标签与第二个定位基站的水平直线距离x2;
随后通过三边余弦定理计算出x1与定位基站连线夹角的余弦值以及x2与定位基站连线夹角的余弦值:
cosθ=(x12+l2-x22)/(2×x1×l);
进而计算出定位标签所在位置在坐标系中的坐标值:
n=x1×cosθ;
该坐标值(m,n)即为垃圾回收小车的实时位置。
前述的基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,所述定位标签与定位基站的距离采用双边双向测距方法获得,过程如下:
定位标签发射UWB脉冲,记录发送时间T1,定位基站接收到UWB脉冲后记录到达时间T2,并在T3时刻发射响应包,定位标签接收到响应包后,记录接收时间T4,并在T5时间发送结束包,定位基站接收到结束包后,记录时间T6,由此得到四个时间差:
Tround1=T4-T1;
Tround2=T6-T3;
Treply1=T3-T2;
Treply2=T5-T4;
进而计算得到UWB脉冲在空间中的传播时间为:
由传播时间和光速c计算得到距离:
d=Tprop×c。
前述的基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,路径规划时,利用二次A-star算法和双向人工势场法结合共同进行,同时对二次A-star算法和双向人工势场法在切换时的连接处进行优化,最后利用贝塞尔曲线优化二次A-star算法和双向人工势场法共同规划的路径,使其符合垃圾回收小车的行驶轨迹。
前述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,所述的二次A-star算法是在A-star算法得到路径以及父节点邻域中子节点的代价值后,选取与路径起点不相邻、代价值最小的子节点作为新的父节点,若路径起点与新的父节点之间不存在障碍物同时此时代价值也是最小,则更新路径剔除中间的父节点,并进入下一次搜索;反之,则不更新路径;通过不断循环搜索,直至找到一条从起点到目标点的路径。
前述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,所述双向人工势场法是采用正反向交替搜索机制对人工势场法加以改进,通过双向人工势场法完成双向的路径规划,提高搜索效率;所述双向人工势场法进行路径规划是分别把路径的起点A和终点B作为正反向搜索的初始位置;正向搜索开始时,以A为起始点,B为目标点,获得下一路径点A1;然后开始反向搜索,以B为起始点,以刚刚获得的正向路径点A1为目标点进行路径规划,此时获得下一路径点B1,以此完成一次交替搜索,如此循环交替前进,直至正反向搜索到相同的路径点,相遇点与两端点之间的路径即最终所求的双向人工势场路径。
前述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,所述的连接处优化包括利用二次A-star算法中的栅格,将一个栅格分为四个完全相同的小方格,然后根据双向人工势场法路径的前进方向以及终止点在四个小方格中所处的位置确定二次A-star算法的起始点以及目标点,确保二次A-star算法和双向人工势场法的连接处路径规划合理;
在双向人工势场法由于出现路径点反复振荡现象而终止后,选取包括终止点在内的最后三个路径点,并将他们从路径点中删除,计算得到以三点的坐标为顶点的三角形的外心坐标,并根据该点位置选取二次A-star算法的起始点和目标点,从而避免影响运行结果;
针对优先陷入局部极小值陷阱的车辆,不再更新其路径,若一段时间内它能脱离该位置,则继续更新其路径;
在双向人工势场法进行路径规划时,不断调整参数,充分考虑车辆的宽度;当二次A-star算法后,对各个障碍物之间的距离进行计算,若距离小于车辆的宽度,则在障碍物之间增加虚拟障碍物,避免二次A-star算法进行错误的路径规划。
前述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,所述垃圾回收小车采用ArduinoMega 2560作为主控板,主控板连接有ESP8266联网模块、UWB定位模块、红外避障模块和语音播报模块。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明通过在室内布置多个已知坐标的定位基站,在垃圾回收小车上设置定位标签,当垃圾回收小车接收到回收垃圾的信号后向指定位置进行移动,移动过程定位标签按照一定的频率发射UWB脉冲,通过UWB脉冲不断和已知位置的定位基站进行信号交互,从而计算出垃圾回收小车的实时位置,再利用实时位置进行路径规划直至抵达指定位置,实现垃圾回收。本发明可以使得人们在无接触的情况下进行垃圾的回收,减少人员接触的次数,避免疫情的传播,此外具抗干扰能力,定位精度高的优点。
2、本发明只需要固定好两个基站的位置,并对垃圾回收小车进行适应性的修改代码就可以适配使用,场景变化方便。本发明的垃圾回收小车体积小巧轻便,能长时间实时接收信号,续航久,成本低,移动误差低。
3、在规划路径时,利用二次A-star算法和双向人工势场法结合共同进行,同时对二次A-star算法和双向人工势场法在切换时的连接处进行优化,最后利用贝塞尔曲线优化二次A-star算法和双向人工势场法共同规划的路径,使其符合车辆的行驶轨迹。通过仿真结果表明,本发明可以在复杂环境中更快的规划出一条无碰撞且平滑自动驾驶车辆路径,具有路径生成时间更短,效率更高的优点。本发明由于人工势场法存在无法避免的陷入局部极小值陷阱的问题,同时路径也会出现振荡现象,导致无法生成完整的路径,因此本发明将二次A-star算法和双向人工势场法进行结合,在自动驾驶车辆陷入局部极小值陷阱后,利用二次A-star算法完成路径规划。通过仿真结果表明,相比人工势场法,本发明能适应各种各样的环境,更有利于车辆在复杂环境中的路径规划。
附图说明
图1为垃圾回收小车的实时位置计算示意图;
图2为双边双向测距方法原理图;
图3为二次A-star算法流程图;
图4为双向人工势场法的搜索示意图;
图5为本发明路径规划示意图;
图6为垃圾回收小车的***示意图;
图7为语音播报模块的语音发送原理图;
图8为垃圾回收小车运行示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但并不作为对本发明限制的依据。
实施例:基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,包括在室内布置多个已知坐标的定位基站,在垃圾回收小车上设置定位标签,其特征在于:垃圾回收小车接收到回收垃圾的信号后向指定位置进行移动,移动过程定位标签按照一定的频率发射UWB脉冲,通过UWB脉冲不断和已知位置的定位基站进行信号交互,从而计算出垃圾回收小车的实时位置,再利用实时位置进行路径规划直至抵达指定位置,实现垃圾回收。
本实施例中,如图1所示,所述垃圾回收小车的实时位置A0的计算是通过在室内布置两个已知坐标的定位基站(A1和A2),定位标签发射UWB脉冲至两个定位基站进而获取定位标签与基站与定位基站的直线距离d1和d2,通过勾股定理:
h2=x12+d12
h2=x22+d22;
式中:h为定位基站的高度,两个定位基站等高;
进而计算得出定位标签与第一个定位基站的水平直线距离x1以及定位标签与第二个定位基站的水平直线距离x2;
随后通过三边余弦定理计算出x1与定位基站连线夹角的余弦值以及x2与定位基站连线夹角的余弦值:
cosθ=(x12+l2-x22)/(2×x1×l);
进而计算出定位标签所在位置在坐标系中的坐标值:
n=x1×cosθ;
该坐标值(m,n)即为垃圾回收小车的实时位置。
其中,所述定位标签与定位基站的距离采用双边双向测距方法获得,如图2所示,过程如下:
定位标签发射UWB脉冲,记录发送时间T1,定位基站接收到UWB脉冲后记录到达时间T2,并在T3时刻发射响应包,定位标签接收到响应包后,记录接收时间T4,并在T5时间发送结束包,定位基站接收到结束包后,记录时间T6,由此得到四个时间差:
Tround1=T4-T1;
Tround2=T6-T3;
Treply1=T3-T2;
Treply2=T5-T4;
进而计算得到UWB脉冲在空间中的传播时间为:
由传播时间和光速c计算得到距离:
d=Tprop×c。
在得到垃圾回收小车的实时位置后,本发明的垃圾回收小车利用实时位置进行路径规划,路径规划时,利用二次A-star算法和双向人工势场法结合共同进行,同时对二次A-star算法和双向人工势场法在切换时的连接处进行优化,最后利用贝塞尔曲线优化二次A-star算法和双向人工势场法共同规划的路径,使其符合垃圾回收小车的行驶轨迹。
如图3所示,所述的二次A-star算法是在A-star算法得到路径以及父节点邻域中子节点的代价值后,选取与路径起点不相邻、代价值最小的子节点作为新的父节点,若路径起点与新的父节点之间不存在障碍物同时此时代价值也是最小,则更新路径剔除中间的父节点,并进入下一次搜索;反之,则不更新路径;通过不断循环搜索,直至找到一条从起点到目标点的路径。
所述双向人工势场法是采用正反向交替搜索机制对人工势场法加以改进,通过双向人工势场法完成双向的路径规划,提高搜索效率;如图4所示,所述双向人工势场法进行路径规划是分别把路径的起点A和终点B作为正反向搜索的初始位置;正向搜索开始时,以A为起始点,B为目标点,获得下一路径点A1;然后开始反向搜索,以B为起始点,以刚刚获得的正向路径点A1为目标点进行路径规划,此时获得下一路径点B1,以此完成一次交替搜索,如此循环交替前进,直至正反向搜索到相同的路径点,相遇点与两端点之间的路径即最终所求的双向人工势场路径。
所述的连接处优化包括利用二次A-star算法中的栅格,将一个栅格分为四个完全相同的小方格,然后根据双向人工势场法路径的前进方向以及终止点在四个小方格中所处的位置确定二次A-star算法的起始点以及目标点,确保二次A-star算法和双向人工势场法的连接处路径规划合理;
在双向人工势场法由于出现路径点反复振荡现象而终止后,选取包括终止点在内的最后三个路径点,并将他们从路径点中删除,计算得到以三点的坐标为顶点的三角形的外心坐标,并根据该点位置选取二次A-star算法的起始点和目标点,从而避免影响运行结果;
针对优先陷入局部极小值陷阱的车辆,不再更新其路径,若一段时间内它能脱离该位置,则继续更新其路径;
在双向人工势场法进行路径规划时,不断调整参数,充分考虑车辆的宽度;当二次A-star算法后,对各个障碍物之间的距离进行计算,若距离小于车辆的宽度,则在障碍物之间增加虚拟障碍物,避免二次A-star算法进行错误的路径规划。
基于上述改进后,进一步考虑路径的合理性,将该路径经过贝塞尔曲线拟合,如图5所示,得到最终完整路径。从图5可以看出,本发明优化后的路径没有发生与障碍物碰撞的现象,路径较短,而且十分平滑能满足垃圾回收小车的行驶路径要求。
本实施例中,如图6所示,所述垃圾回收小车小车总重约2千克,长297mm,宽210mm,用到了四个直流减速带霍尔编码器式电机使小车运动,一块电压为11.1V,电池容量为2200mAh的航模电池续航,小车运行均速为0.4m/s,目前小车运行误差不超过20cm。采用Arduino Mega 2560作为主控板,主控板连接有ESP8266联网模块、UWB定位模块、红外避障模块和语音播报模块。Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的主控开发板。ArduinoMega2560是采用USB接口的核心电路板。具有54路数字输入输出,适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmega2560,同时具有54路数字输入/输出口,16路模拟输入,4路UART接口,一个16MHz晶体振荡器,一个USB口,一个电源插座,一个ICSP header和一个复位按钮。板上有支持一个主控板的所有资源。Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板。可以自动选择3中供电方式:外部直流电源通过电源插座供电;电池连接电源连接器的GND和VIN引脚;USB接口直流供电。
本发明的垃圾回收小车中的联网部分是ESP8266联网模块,ESP8266是一款物联网WiFi芯片,基于ESP8266可以开发物联网串口WiFi模块;也可以作为独立Wi-Fi MCU运行,通过基于RTOS的SDK开发带Wi-Fi连接功能的产品。用户可以轻松实现开箱即用的云连接、低功耗运行模式,以及包括WPA3在内的Wi-Fi安全支持等功能。而NodeMCU,是一个开源的物联网平台。它包含了可以运行在esp8266芯片之上的固件,以及基于ESP-12模组的硬件,只需将TX引脚与Arduino的RX引脚连接,并接上电源与GND即可实现与板子的通信。
本发明的垃圾回收小车的红外避障模块模块接电,感应到前方有物体,LED点亮,OUT输出持续低电平。直至物体消失,LED熄灭,OUT输出为持续高电平。红外光线光束发射是呈现立体3D空间的,因此,正前方的一个水平锥形立体空间内均能感应到物体。感应检测及输出反应时间小于21ms,电位器可调节感应距离。稳定感应距离平均100CM,性能优异的可达200CM。垃圾回收小车上存在多个红外模块,可能会因红外光线相互串扰阻塞正常的接收。此时,利用EN控制端,循环开放单支模块检测完后,再开放下一支模块做检测。当小车前进时,给前端的红外使能端引脚高电平,控制实现前方避障,反之则控制小车后方的红外传感器工作,实现避障。
本发明的垃圾回收小车的语音播报模块Q8900-16P选用的是SOC方案,集成了一个16位的MCU,以及一个专门针对音频解码的ADSP,采用硬解码的方式,更加保证了***的稳定性和音质。此芯片最大的优势在于能够灵活的更换SPI-flash内的语音内容,省去了传统语音芯片需要安装上位机更换语音的麻烦,SPI FLASH直接模拟成U盘,跟拷贝U盘一样,非常方便。同时采用一线串口控制模式方便语音输送播放。一线串口通信协议sda为数据发送端口,发送语音地址。先发送低位。如图7范例发送89H。因此只需连接一线传输引脚VPP、电源和地即可工作运行。同时为了让声音更清晰明亮加了一个喇叭扩音,喇叭连接SPK+-引脚。
本发明的垃圾回收小车其利用ESP8266自身Wi-Fi模块实现无线传输,同时通过UWB无载波通信技术来获取智能小车定位信息,然后与手机通信,从而实现小车对用户指令的实时反馈。如图8所示,用户可连接小车上esp8266WIFI模块产生的admin局域网,在手机客户端输入房间号,即可召唤小车到房间所在门口,在10秒内放下垃圾后并点击完成后,小车会自动返回出发地,在此期间如有第二位用户也输入了房间号,客户端会显示排队人数以及小车繁忙程度,在上一位用户点击完成后小车会行进到下一位用户所输入房间处。对于语音播报模块,在小车启动前有“小车启动”、小车到达目标位置时有“到达目的地”“已取到垃圾,感谢使用!”等语音,还增加了遇到障碍物时“遇到障碍物,已停止。”的语音播报。
综上所述,本发明通过在室内布置多个已知坐标的定位基站,在垃圾回收小车上设置定位标签,当垃圾回收小车接收到回收垃圾的信号后向指定位置进行移动,移动过程定位标签按照一定的频率发射UWB脉冲,通过UWB脉冲不断和已知位置的定位基站进行信号交互,从而计算出垃圾回收小车的实时位置,再利用实时位置进行路径规划直至抵达指定位置,实现垃圾回收。本发明可以使得人们在无接触的情况下进行垃圾的回收,减少人员接触的次数,避免疫情的传播,此外具抗干扰能力,定位精度高的优点。
Claims (8)
1.基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,包括在室内布置多个已知坐标的定位基站,在垃圾回收小车上设置定位标签,其特征在于:垃圾回收小车接收到回收垃圾的信号后向指定位置进行移动,移动过程定位标签按照一定的频率发射UWB脉冲,通过UWB脉冲不断和已知位置的定位基站进行信号交互,从而计算出垃圾回收小车的实时位置,再利用实时位置进行路径规划直至抵达指定位置,实现垃圾回收。
2.根据权利要求1所述的基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,其特征在于:所述垃圾回收小车的实时位置的计算是通过在室内布置两个已知坐标的定位基站,定位标签发射UWB脉冲至两个定位基站进而获取定位标签与基站与定位基站的直线距离d1和d2,通过勾股定理:
h2=x12+d12
h2=x22+d22;
式中:h为定位基站的高度,两个定位基站等高;
进而计算得出定位标签与第一个定位基站的水平直线距离x1以及定位标签与第二个定位基站的水平直线距离x2;
随后通过三边余弦定理计算出x1与定位基站连线夹角的余弦值以及x2与定位基站连线夹角的余弦值:
cosθ=(x12+l2-x22)/(2×x1×l);
进而计算出定位标签所在位置在坐标系中的坐标值:
n=x1×cosθ;
该坐标值(m,n)即为垃圾回收小车的实时位置。
4.根据权利要求2所述的基于UWB室内定位的智能垃圾回收方法,其特征在于:路径规划时,利用二次A-star算法和双向人工势场法结合共同进行,同时对二次A-star算法和双向人工势场法在切换时的连接处进行优化,最后利用贝塞尔曲线优化二次A-star算法和双向人工势场法共同规划的路径,使其符合垃圾回收小车的行驶轨迹。
5.根据权利要求4所述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,其特征在于:所述的二次A-star算法是在A-star算法得到路径以及父节点邻域中子节点的代价值后,选取与路径起点不相邻、代价值最小的子节点作为新的父节点,若路径起点与新的父节点之间不存在障碍物同时此时代价值也是最小,则更新路径剔除中间的父节点,并进入下一次搜索;反之,则不更新路径;通过不断循环搜索,直至找到一条从起点到目标点的路径。
6.根据权利要求4所述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,其特征在于:所述双向人工势场法是采用正反向交替搜索机制对人工势场法加以改进,通过双向人工势场法完成双向的路径规划,提高搜索效率;所述双向人工势场法进行路径规划是分别把路径的起点A和终点B作为正反向搜索的初始位置;正向搜索开始时,以A为起始点,B为目标点,获得下一路径点A1;然后开始反向搜索,以B为起始点,以刚刚获得的正向路径点A1为目标点进行路径规划,此时获得下一路径点B1,以此完成一次交替搜索,如此循环交替前进,直至正反向搜索到相同的路径点,相遇点与两端点之间的路径即最终所求的双向人工势场路径。
7.根据权利要求1所述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,其特征在于:所述的连接处优化包括利用二次A-star算法中的栅格,将一个栅格分为四个完全相同的小方格,然后根据双向人工势场法路径的前进方向以及终止点在四个小方格中所处的位置确定二次A-star算法的起始点以及目标点,确保二次A-star算法和双向人工势场法的连接处路径规划合理;
在双向人工势场法由于出现路径点反复振荡现象而终止后,选取包括终止点在内的最后三个路径点,并将他们从路径点中删除,计算得到以三点的坐标为顶点的三角形的外心坐标,并根据该点位置选取二次A-star算法的起始点和目标点,从而避免影响运行结果;
针对优先陷入局部极小值陷阱的车辆,不再更新其路径,若一段时间内它能脱离该位置,则继续更新其路径;
在双向人工势场法进行路径规划时,不断调整参数,充分考虑车辆的宽度;当二次A-star算法后,对各个障碍物之间的距离进行计算,若距离小于车辆的宽度,则在障碍物之间增加虚拟障碍物,避免二次A-star算法进行错误的路径规划。
8.根据权利要求1所述的用于自动驾驶车辆的避障路径规划方法,其特征在于:所述垃圾回收小车采用Arduino Mega 2560作为主控板,主控板连接有ESP8266联网模块、UWB定位模块、红外避障模块和语音播报模块。
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CN202210206695.3A CN114578822A (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种基于uwb室内定位的智能垃圾回收方法 |
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