一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及所述机器人定位方法，特别涉及一种基于分体超声波和射频的跟随机器人定位系统的技术领域。
【背景技术】
[0002]跟随机器人是人机交互研究中的一个热点问题，在所述机器人邻域具有广泛的应用，例如广阔无比的高尔夫球场上的球杆袋跟随所述机器人、大商场的跟随购物车、机场的行李重物跟随所述机器人等。跟随过程往往是在比较复杂的环境中进行的，因此需要对跟随的目标进行定位并且可以避开障碍物，实现跟随指定目标的功能。
[0003]目前已有的跟随所述机器人的定位方法主要是利用安装中所述机器人本体上的视觉系统采集目标及周围环境的信息，然后利用图像处理的算法对目标进行定位，这种方法容易受环境中相似物体干扰，并且中所述机器人跟随的过程中会出现静态和动态障碍物，所述机器人必需具备避障功能，而目前的避障算法复杂度较高，有容易进入局部最优的缺陷。同时，利用视觉系统的跟随所述机器人成本高，不能适应大部分人的经济能力。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种精确定位的基于分体超声波和射频的跟随机器人定位系统，为此，本发明采用以下技术方案:
一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法，所述机器人设有分体超声结合射频模块，所述分体超声结合射频模块包括接收端、发射端，所述发射端及接收端均由超声波接收探头、射频模块及微控制单元组成，所述分体超声结合射频模块的发送端，所述定位方法包括以下步骤:
a)开启所述发送端和所述接收端，所述发送端和所述接收端通过各自内部的射频模块进行时间校准，将所述发送端和所述接收端时间进行同步，使时间误差控制在I微秒以下；
b)所述发送端和所述接收端时间同步后，所述发送端延时相同时间发送全向超声波信号；
c)所述发送端和所述接收端时间同步后，所述接收端等待10us后开启计时器，等待接受所述发射端发送的全向超声波信号；由于所述接收端包括之间有间距的第一超声波接收探头和第二超声波接收探头，能分别接收到所述发射端发出的以声速直线传播过来的超声波信号，因此信号到达两个接收探头的时间有差异；
当接收完成后，根据，得出，所述发射端到第一超声波接收探头的距离为dl，所述发射端到第二超声波接收探头的距离d2，V表示声速，t表示所述发送端的信号开始计时到第一超声波接收探头或第二超声波接收探头接受到的时间，由于第一超声波接收探头、第二超声波接收探头及发送端构成的三角形三边已知，即dl、d2及第一超声波接收探头和第二超声波接收探头的距离，可计算出被跟随目标的位置，即为三角定位计算方法;控制目标的位置误差在1cm以内； d)所述接收端解算出目标位置信息后能将数据发送给上位机如USART，SPI，IIC;
e)通过所述上位机估算出目标的位置，实现机器人对被跟随人的跟随功能。
[0005]在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案:
所述分体超声结合射频的机器人定位方法能达到1Hz的定位频率。考虑到本模块超声波的信号强度，其最多能在空间中传播20m并被检测到，因此结合声速340m/s其在空中的滞留时间是58.8ms。为防止回波干扰(上一次发送出去的超声波信号还没完全在空气中衰减，新的信号又被发送)因此极限频率是1/0.0588=17Hz。再加上单片机处理及等待的时间，于是将频率定在1Hz。
[0006]所述分体超声结合射频模块的发送端可替换为全向发射模块，所述全向发射模块包括一个射频模块以及不同方向的多个超声波发射头;其中全向发射模块中的射频模块和所述接收端的射频模块是用来校准两个设备之间的时间，保证两个模块的时间误差小于微秒。之后通过多个超声波发射头发射全向超声波，由于是多个超声波发射头同时发送，保证发出的超声波覆盖空间全范围，且由于超声波发射头安装位置较为接近，因此可认为超声波送同一点发送出来。所述接收端接收到所述超声波，并通过上位机计算出不同的距离，所述上位机再通过所述三角定位计算方法，估算出目标的位置，使得目标的精确位置的误差控制在1cm以内，进而通过估算出目标的位置实现机器人对被跟随人的跟随功能。
[0007]由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果为:本发明通过多三角定位方法，以及多个超声波发射方便全方位无死角探测，精确的测得被跟随人的具体位置，使机器人能够实时的跟随人行进。
【附图说明】
图1为本发明一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法示意图。
其中A为发送端，B为，第一超声波接收探头，C为第二超声波接收探头。
【具体实施方式】
[0008]如图所示，一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法，所述机器人设有分体超声结合射频模块，所述分体超声结合射频模块包括接收端、超声波探头，nrf24101射频模块，stm32f!03c8t6微控制单元，所述分体超声结合射频模块的发送端，所述定位方法包括以下步骤:
a)开启所述发送端和所述接收端，所述发送端和所述接收端通过各自内部的射频模块进行时间校准，将所述发送端和所述接收端时间进行同步，使时间误差控制在I微秒以下；
b)所述发送端和所述接收端时间同步后，所述发送端延时10us发送全向超声波信号；
c)所述发送端和所述接收端时间同步后，所述接收端等待10us后开启计时器，等待接受所述发射端发送的全向超声波信号；由于所述接收端包括之间有间距的第一超声波接收探头和第二超声波接收探头，两个探头一般之间设定间隔为I米，能分别接收到所述发射端发出的以声速直线传播过来的超声波信号，因此信号到达两个接收探头的时间有差异；
当接收完成后，根据，得出，所述发射端到第一超声波接收探头的距离为dl，所述发射端到第二超声波接收探头的距离d2，V表示声速，t表示所述发送端的信号开始计时到第一超声波接收探头或第二超声波接收探头接受到的时间，由于第一超声波接收探头、第二超声波接收探头及发送端构成的三角形三边已知，即dl、d2及第一超声波接收探头和第二超声波接收探头的距离，可计算出被跟随目标的位置，即为三角定位计算方法;控制目标的位置误差在1cm以内；
d)所述接收端解算出目标位置信息后能将数据发送给上位机如USART，SPI，IIC;
e)通过所述上位机估算出目标的位置，实现机器人对被跟随人的跟随功能。
[0009]所述分体超声结合射频模块的发送端可替换为全向发射模块，所述全向发射模块包括一个射频模块以及不同方向的多个超声波发射头;其中全向发射模块中的射频模块和所述接收端的射频模块是用来校准两个设备之间的时间，使之同步(误差小于I微秒)，之后通过多个超声波发射头发射全向超声波，所述接收端接收到所述超声波，并通过上位机计算出不同的距离所述上位机再通过所述三角定位计算方法，估算出目标的位置，使得目标的精确位置的误差控制在1cm以内，进而通过估算出目标的位置实现机器人对被跟随人的跟随功能。
【主权项】
1.一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法，其特征在于，所述机器人设有分体超声结合射频模块，所述分体超声结合射频模块包括接收端、发射端，所述发射端及接收端均由超声波接收探头、射频模块及微控制单元组成，所述分体超声结合射频模块的发送端，所述定位方法包括以下步骤: a)开启所述发送端和所述接收端，所述发送端和所述接收端通过各自内部的射频模块进行时间校准，将所述发送端和所述接收端时间进行同步，使时间误差控制在I微秒以下； b)所述发送端和所述接收端时间同步后，所述发送端延时相同时间发送全向超声波信号； c)所述发送端和所述接收端时间同步后，所述接收端等待10us后开启计时器，等待接受所述发射端发送的全向超声波信号；由于所述接收端包括之间有间距的第一超声波接收探头和第二超声波接收探头，能分别接收到所述发射端发出的以声速直线传播过来的超声波信号，因此信号到达两个接收探头的时间有差异； 当接收完成后，根据，得出，所述发射端到第一超声波接收探头的距离为dl，所述发射端到第二超声波接收探头的距离d2，V表示声速，t表示所述发送端的信号开始计时到第一超声波接收探头或第二超声波接收探头接受到的时间，由于第一超声波接收探头、第二超声波接收探头及发送端构成的三角形三边已知，即dl、d2及第一超声波接收探头和第二超声波接收探头的距离，可计算出被跟随目标的位置，即为三角定位计算方法;控制目标的位置误差在1cm以内； d)所述接收端解算出目标位置信息后能将数据发送给上位机； e)通过所述上位机估算出目标的位置，实现机器人对被跟随人的跟随功能。2.如权利要求1所述的一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法，其特征在于，所述分体超声结合射频的机器人定位方法能达到I OHz的定位频率。3.如权利要求1所述的一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法，其特征在于:所述分体超声结合射频模块的发送端可替换为全向发射模块，所述全向发射模块包括一个射频模块以及不同方向的多个超声波发射头;其中全向发射模块中的射频模块和所述接收端的射频模块是用来校准两个设备之间的时间，使之同步，误差小于I微秒，之后通过多个超声波发射头发射全向超声波，所述接收端接收到所述超声波，并通过上位机计算出不同的距离所述上位机再通过所述三角定位计算方法，估算出目标的位置，使得目标的精确位置的误差控制在1cm以内，进而通过估算出目标的位置实现机器人对被跟随人的跟随功能。
【专利摘要】本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于分体超声结合射频的机器人定位方法，所述机器人设有分体超声结合射频模块，所述分体超声结合射频模块包括接收端、发射端，所述发射端及接收端均由超声波接收探头、射频模块及微控制单元组成，所述分体超声结合射频模块的发送端。本发明通过多三角定位方法，以及多个超声波发射方便全方位无死角探测，精确的测得被跟随人的具体位置，使机器人能够实时的跟随人行进。
【IPC分类】G01S7/524, G01S15/06
【公开号】CN105629241
【申请号】CN201510971902
【发明人】刘勇, 徐晋鸿
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月22日