医护服务机器人的UWB定位研究

喻恒 丁亚飞

摘要：医护服务移动机器人最重要最基础的问题之一是精确定位问题，本文将基于UWB定位算法和系统应用于医护移动服务机器人的研究，论述了UWB无线通信的定位原理，建立了机器人的数学模型和定位方案，从而实现了机器人的室内定位，为后期的自主导航创造前提条件。

关键词：服务机器人；超宽带定位；TOA

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0197-02

Abstract：Precise positioning is one of the most important problems in the research of mobile robot for medical service.This paper will study the application of UWB location algorithm in medical mobile service robot.Based on the discussion of UWB positioning principle， established the positioning system and mathematical model of robot so then The indoor positioning of robot is realized .The method creates prerequisites for later autonomous navigation.

Key words： Service robot； UWB Location；TOA

隨着人口不断增加以及老龄化的发展，我国医疗服务行业的压力越来越大，为了解决病患服务需求不断增加和医疗工作人员数量增速缓的矛盾，降低医生及护士工作量，进一步减轻相关工作压力，代替人完成危险易传染医疗环境的作业任务，医疗服务机器人的相关技术在近年来开始逐步进行研究，其中室内自主巡视查房类机器人开始应用到医护日常辅助工作中。专门用于医护服务的机器人研究主要包括精确定位和导航、机构设置、信息融合、能源管理以及无线数据传输等，其中精确定位是室内自主移动机器人的最基础的研究内容。本文通过分析，将超宽带（UWB，Ultra-Wide Band）室内无线定位系统应用于面向医院的医护服务机器人的定位，实现了机器人在室内移动的实时定位，机器人在医院的病房的复杂环境下能够自主移动到指定病床，实现病房巡视、送药。该系统将TOA定位结合UWB，通过建立坐标模型和定位算法，初步实现了机器人的精确定位。

1 UWB定位技术

1.1 UWB技术概述

UWB技术作为一种高速率高带宽的短距离无线通信技术，越来越受到物联网行业科研人员的关注。超宽带（UWB）技术相比较于常见的短距离无线通信技术如蓝牙、WIFI、ZigBee等，其特有的多址技术和调制方式使得带宽很宽、数据传输速率高、较低的功耗以及很好的安全性等特点[1]。近年来国内外开始研究将UWB应用在近距离精确室内定位，获得比较好的效果。其亚纳秒级超窄脉冲在无线定位特别是室内无线定位章具有较高的优势。

1.2 UWB定位方法

利用UWB定位系统实现定位，须要在室内搭建若干基站网络，确定移动机器人和各个参考基站之间的位置关系，通过建立坐标模型实现详细的定位算法，再利用解析几何的数学方法将测得的参数通过测算确定移动机器人位置信息[2]。UWB的定位方法包括基于接收信号强度法（RSSI）、基于到达角度定位法（AOA）、基于信号到达时间定位法（TOA）[3]。RSSI根据信号接收强度随着接受距离的增大而减弱的原理，综合两者具体函数关系，确定距离从而进行定位。AOA是计算接收节点相对发送节点之间的具体方位即偏移角度，在结合三角测量法测算具体定位信息。TOA则是根据信号从基站节点到达标签节点消耗的时间计算节点之间的距离，再通过计算多个基站到标签的距离，利用解析几何方法实现定位。相比较AOA和RSSI，TOA方法更能发挥UWB技术自身的优点，特别是UWB信号亚纳秒级超窄脉冲的特点，可以达到很高的精确度。本文采用的是TOA算法。

2 基于信号到达时间定位法（TOA）

基于 TOA 的无线定位方法原理是：确定两个节点A，B。将节点A设置为发送节点。B设置为接收节点，信号从A传输到B需要一定的时间，系统可以根据从节点间信号传输时间来测算两个节点之间的距离，再通过节点点位置和距离建立三角模型，利用三角定位法实现无线定位。

TOA根据测距量程可以分为有两种：双程测距和单程测距。因为UWB发射的是脉冲信号，接近光速的无线信号，可以在极短时间内获得测量值，因此单程测量和双程测量在测量效率上相差无几，但是由于双程测量的精度高、误差小，所以TOA更多的使用双程测距。

双程测距（TWR，Two Way Ranging）的原理是各个参考节点利用接收与发送节点之间的通信信号往返的路程时间来估算节点间的距离值。发送节点A在初始时刻发送给接收节点B规定信息的数据包，该数据包包含时间信息，节点B接收到信号数据包，提取出数据中的时间信息，同时回传同样包含时间信息的数据信号给节点A，节点A以接收到回复包时间确定传输完成，节点A根据收到的时间信息数据包来算出传播时间，从而可计算两个节点距离值。公式如下：

其中Tr表示因设备反应造成的误差时间，T1表示A节点收到数据包的时刻，d表示两节点之间距离，c表示光速。在具体的测量计算中，可通过提前确定Tr值方式以及多次测量取平均值的方式进一步减小测量误差。

3 系统模型及算法

机器人定位精度和准确度不仅取决于各种定位模型和算法，还包括其所采用的传感器种类和性能。常见的应用于移动机器人的传感器有CCD传感器、激光雷达、测距超声波、红外测距、六轴加速度传感器、陀螺仪、指南针等[5]。本文系统使用DW1000传感器，该传感器基于UWB通信，可通过建立基站和标签节点，实现室内定位，使用方便，性能稳定。

3.1 UWB模型

首先在室内空间安装基站节点，要求通信信号可以覆盖整个室内，理论上安装位置可以随意，考虑到UWB通信距离在10m以内，为了更好的获取通信信號，获得准确测量结果，具体安装位置可选择室内屋顶角落处，基站之间距离相距3-5米，形成等边三角形。考虑到机器人只在地面移动，因此可以不考虑高低空间定位。将一个传感器节点作为标签固定于机器人，空间安放的基站发射UWB信号，机器人所载标签接收信号，通过计算每个基站信号传输到标签的时间，可算出标签分别距3个基站的距离，再利用结合基站的三角形分布，利用解析几何测算机器人在室内相对位置和方位，随着机器人的移动，可选择空间信号最好的三个基站进行计算。

3.2 坐标模型及定位算法

UWB定位可以实现三维定位，也就是不仅可以确定机器人在xy坐标还有标签的空间高度，但是考虑到机器人移动只限于地面平面，因此以室内固定好的基站作为参考系，建立的一个空间坐标系统，但是最终确定一个距离和方位的二维坐标。如图：

定义室内3个基站分别为A，B，C，相互之间距离均为a；定义BC边的重点为坐标系的原点O，BC边所在直线是x轴，BC边的高所在直线为y轴，考虑到机器人方位问题，确定y轴正向即BC到节点A方向设置为正北方向，BC向为正东方向，此时机器人位置坐标为T（x，y，z），定义E为三角形ABC的中心，T到三角形中心的距离计算公式如下：

如图1，T在等边三角形所在平面的投影T′。d1，d2，d3分别为标签到ABC三个基站的距离即TA，TB，TC。由上式计算确定了距离，同时还需要确定机器人的朝向，以控制移动方向，因此还需要确定方位角，，因为y轴的正方向规定为正北方，因此设 T′E与y轴的夹角等效为机器人方位角，由图1可知T′为标签T在等边三角形所在平面的投影点，T′E是投影点与中心E点的连线，∠T′EO就是机器人的方位角，具体计算公式如下：

由上式可确定标签的参考位置坐标为距离和方位角的一个坐标（L，θ），由上文分析，机器人移动是在一个平面，因此得出一个2维坐标位置信息，从而可以确定出机器人在室内的具体位置，再结合机器人内置的方向传感器，同时可确定机器人的正面方向，从而实现定位。

3.3 移动方案

通过上述的定位模型可以获得机器人瞬时的定位坐标，根据当前坐标和下一位置坐标可以控制机器人移动路径，具体方案为：1、建立室内地图模型，医疗服务机器人工作地点主要为病房，根据日常工做路径规划移动轨迹，移动轨迹为机器人工作路径的一系列坐标集合。2、确定机器人坐标后，根据下一个坐标的位置，计算在x轴，y轴的偏移量，结合方位角调整机器人移动方向和速率，使坐标和下一坐标逐步吻合，然后进行下一坐标，实现定位自主移动。

4 结语

本文根据医护服务机器人的特点提出了一种基于UWB医护移动服务机器人定位方法，该系统适用于医院、病诊所等室内定位，测算简单，响应快速。系统实时测算出机器人的当前位置信息，可以根据规定好的下一个路径坐标进行方位姿态和移动动作调整，实现机器人自主导航。本文所应用的UWB定位方法将基站安装在室内，并以此建立参考坐标，由于受房屋结构局限，测量精度不够，同时路径需要人为设置，无法实现路径的自动规划，后期还需要在本定位方法的基础上进一步探讨室内地图建模和路径自动规划、自主动态避障等功能，以便实现自主导航。

参考文献：

[1] Jiang Z P， Nijmeijer H. Tracking Control of Mobile Robots： A Case Study in Backstepping [J]. Automatica， 1997， 33（7）： 1 393-1 399.

[2]张在琛，毕光国.超宽带关键技术分析及发展策略的思考[J].电气电子教学学报，2004，26（3）：6-16.

[3] 王秀贞.超宽带无线通信及其定位技术研究[M].上海：华东师范大学，2009.

[4] 赵立军.室内服务机器人移动定位技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2009.

[5] 王丽军，王景川，陈卫东.动态环境下智能轮椅的规划与导航[J].上海交通大学学报，2010，

【通联编辑：梁书】