一种无人小车的室内导航系统及其使用方法

摘要

本发明涉及导航方法领域，具体是一种无人小车的室内导航系统及其使用方法，该系统包括turtlebot3小车、用于读取数据信息按照通信协议打包为帧信号并发出的STM32单片机、基于ROS系统控制turtlebot3小车运动的中心处理机，还包括：DWM1000超宽带模块、通信模块、电源和指示灯模块，其具体步骤包括：S1：距离信息的提取；S2：坐标求解；S3：坐标显示；基于到达时间的超宽带定位方式，使用基站和标签搭建超宽带室内定位系统，设计坐标解算算法求解无人小车的坐标位置，通过界面实时显示当前坐标点，同时目标的坐标位置可以按照ROS操作系统的要求从节点中以消息形式发布，直接作为到小车的导航数据源，从而可以被无人小车的其他节点订阅和直接使用。

说明书

技术领域

本发明涉及导航方法领域，具体是一种无人小车的室内导航系统及其使用方法。

背景技术

2017年11月出版的《计算机测量与控制》期刊第25卷第11期的179-182页公开了一种基于超宽带技术的室内定位系统设计，室内定位系统结构主要由：室内物品信息采集、室内物品特征提取、室内物品聚类以及室内定位四部分组成。由室内定位系统终端控制其他各个组成部分，为加快室内定位系统的设计速度，对室内物品的信息进行采集，并对室内物品进行特征提取，为提高定位精度，对室内物品进行聚类操作，以上述结果为依据，完成对室内定位系统的设计。该方案的不足是只能针对室内物品的数量较多时的定位，无法完成对于单个物体的室内定位。

2018年12月出版的《电子技术应用》第44卷第12期的44-46页公开了一种室内移动目标定位系统设计，该文基于超宽带技术并结合嵌入式系统设计了一款室内移动目标定位系统，包括定位基站和定位标签，可实现对移动目标的准确定位和轨迹跟踪。不足之处在于定位信息的提取没有实现通用化，无法直接作为到小车的导航数据源。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种无人小车的室内导航系统及其使用方法。

一种无人小车的室内导航系统，包括turtlebot3小车、用于读取数据信息按照通信协议打包为帧信号并发出的STM32单片机、基于ROS系统控制turtlebot3小车运动的中心处理机，还包括：

DWM1000超宽带模块，与STM32单片机配合，选择接收和发送两种模式状态，通过控制相关寄存器来控制工作状态模式的切换；

通信模块，与STM32单片机的串口接口相连，用于将DWM1000超宽带数据帧发送给中心处理机；

电源和指示灯模块，与DWM1000超宽带模块和STM32单片机连接供电，使用TPS73601芯片将电源的5V转换为3.3V电平供给STM32单片机以及DWM1000超宽带模块。

所述的中心处理机为车载计算机或地面控制站计算机。

所述的DWM1000超宽带模块包括在需要定位的目标上放置超宽带标签、三组分别用于测量各自到目标的距离的超宽带基站、设置在中心处理机上用于接收超宽带基站数据的接收数据基站。

所述的通信模块的接口形式为USB接口，通信方式为串口RS232协议。

一种无人小车的室内导航系统的使用方法，其具体步骤包括：

S1：距离信息的提取：

a：使用mc数据进行定位标签工作，对接收的数据放入缓存中等待处理；

b：对这些数据进行检测，如接收到mc字符串，则开始对后续的字符串进行处理；

c：使用Python语言中有专门的换算函数int将字符串内容换算为数据并存入距离变量中；

S2：坐标求解：

a：读取三个锚节点坐标点A、点B、点C作为圆心，分别为(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)；

b：三个分别以点A、点B、点C作为圆心的圆周相交于一点D；

c：读取目标点到三个锚节点坐标ABC的距离，即点A、点B、点C与交点D的距离分别为d1、d2、d3；

d：设交点D的坐标为(X,Y)。可以得到方程组(1)；

e：由式(1)可以得到交点D的坐标为：

f：对于MATLAB、Python类数学函数比较强大的编程语言由式(2)写出代码；对于单片机类只能使用标准C语言编程的器件需要手动将矩阵的逆与矩阵乘法写成代数形式；

S3：坐标显示：

a：导入Matplotlib包进行坐标点的绘制；

b：导入Matplotlib.Python模块做数据绘图；

c：设置X、Y坐标范围；

d：生成图；

e：确定坐标点显示的颜色、形状类属性；

f：在图中绘制求解得到的坐标点；

g：间隔1ms；

h：是否中断退出，如否从步骤c开始重复，如是则结束；

S4：初始化定位输出节点，将得到的位置信息按照ROS系统消息发布，供华夫派小车直接使用。

所述的步骤S2的坐标求解采用的是三边测量法。

所述的步骤S2的b中的交点D即为移动节点，A、B、C即为参考节点。

本发明的有益效果是：基于到达时间的超宽带定位方式，使用基站和标签搭建超宽带室内定位系统，设计坐标解算算法求解无人小车的坐标位置，通过本发明可以得出单个目标的室内坐标位置，并且可以通过界面实时显示当前坐标点，绘制一段时间的运动轨迹，同时目标的坐标位置可以按照ROS操作系统的要求从节点中以消息形式发布，直接作为到小车的导航数据源，从而可以被无人小车的其他节点订阅和直接使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的DWM1000超宽带模块结构示意图；

图3为本发明的STM32单片机结构示意图；

图4为本发明的DWM1000超宽带模块原理结构示意图；

图5为本发明的通信模块原理结构示意图；

图6为本发明的电源和指示灯模块原理结构示意图；

图7为本发明的距离信息的提取流程结构示意图；

图8为本发明的三边测量法原理结构示意图；

图9为本发明的坐标求解流程结构示意图；

图10为本发明的坐标显示流程结构示意图；

图11为本发明的距离信息的提取的S1流程结构示意图；

图12为本发明的距离信息的提取的S2流程结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图12所示，一种无人小车的室内导航系统，包括turtlebot3小车、用于读取数据信息按照通信协议打包为帧信号并发出的STM32单片机、基于ROS系统控制turtlebot3小车运动的中心处理机，还包括：

DWM1000超宽带模块，与STM32单片机配合，选择接收和发送两种模式状态，通过控制相关寄存器来控制工作状态模式的切换；

通信模块，与STM32单片机的串口接口相连，用于将DWM1000超宽带数据帧发送给中心处理机；

电源和指示灯模块，与DWM1000超宽带模块和STM32单片机连接供电，使用TPS73601芯片将电源的5V转换为3.3V电平供给STM32单片机以及DWM1000超宽带模块。

基于到达时间的超宽带定位方式，使用基站和标签搭建超宽带室内定位系统，设计坐标解算算法求解无人小车的坐标位置。

通过本发明可以得出单个目标的室内坐标位置，并且可以通过界面实时显示当前坐标点，绘制一段时间的运动轨迹。

目标的坐标位置可以按照ROS操作系统的要求从节点中以消息形式发布，直接作为到小车的导航数据源，从而可以被无人小车的其他节点订阅和直接使用。

中心处理机接收DWM1000超宽带模块的接收数据基站发送的数据，并进行计算得出标签所在的坐标位置，最后在中心处理机上进行位置的实时显示。

与此同时，中心处理机还要基于ROS系统控制turtlebot3小车运动，因此中心处理机需要运行Ubuntu 16.04操作系统而非Windows系统，并在该操作系统下运行ROS程序和DWM1000超宽带模块的定位显示程序。

如图3所示，STM32单片机的电路包括：

电源电路：U2芯片的1、6、19、27脚连接3.3V，5、18、26、36脚连接地，完成对单片机的供电；

复位电路：U2芯片的4脚通过10K电阻上拉至3.3V，同时通过100nF电容下拉至地，实现对单片机阻容复位；

时钟电路：U2芯片的2、3脚连接到8M晶振的3、1脚，提供时钟；使用STM32F103作为USB定位模块的控制器，将DWM1000超宽带模块信号读取进来并进行数据处理，解算出基站与标签的距离，按照通信协议打包为帧信号通过通信模块发出。

所述的中心处理机为车载计算机或地面控制站计算机。

被测点即标签点发射信号到达3个以上的参考节点接收机，即基站，通过测量到达不同接收机所用的时间，得到发射点与接收点之间的距离。

以接收机为圆心，所测得的距离为半径做圆，3个圆的交点即为被测点所在的位置。

该方法实现过程中，需要测得定位标签与每个基站的距离信息，从而定位标签需要与每个基站进行来回通信，因此定位标签功耗较高。

该定位方法的优势在于在定位区域内外，即基站围成区域的内外，都能保持很高的定位精度。

所述的DWM1000超宽带模块包括在需要定位的目标上放置超宽带标签、三组分别用于测量各自到目标的距离的超宽带基站、设置在中心处理机上用于接收超宽带基站数据的接收数据基站。具体的通信协议如下：

如图4所示，dwm1000超宽带模块的电路图：

UWB1模块以dwm1000芯片为核心，其中电源部分为该芯片的5、6、7脚接3.3V，8脚接地；采用SPI总线与单片机通信，包括该芯片的17、18、19、20脚与单片机的11、12、13、14脚相连；该芯片的3脚与单片机的7脚相连，以使用单片机对其复位；该芯片的2脚与单片机的15脚相连，以使用单片机向其发送唤醒信号；该芯片的1脚与单片机的20脚相连，以使用单片机对其发送外部设备使能信号；该芯片的22脚与单片机的32脚相连，同时接电阻下拉，向单片机发送中断信号。

dwm1000超宽带模块工作时可以选择接收和发送两种模式状态，可通过控制相关寄存器来控制工作状态模式的切换，STM32单片机通过SPI对dwm1000超宽带模块的无线收发芯片进行读写，完成通信设备之间的信息交换。

如图5所示，超宽带定位模块与计算机采用RS232串口通信，由于现在的计算机大多配备USB接口，因此使用通信接口采用USB的连接器模式，STM32单片机自带USB接口的RS232通信模块，将单片机的23、24脚连接Micro USB接口的2、3脚作为USB的收发线；将单片机的16脚接电阻后连接Micro USB接口的3脚，实现USB的使能；将Micro USB接口的1脚连接5V电源，实现从USB引入电源；将Micro USB接口的4、5、6、7、8、9、10、11脚接地。

通信模块用于将超宽带数据帧发送给车载计算机或地面控制站计算机，其接口形式为USB接口，其通信方式为串口RS232协议，与STM32STM32单片机的串口接口相连。

如图6所示，电源和指示灯模块采用TPS73601芯片进行电源转换，该芯片的1脚与Micro USB接口的1脚相连，引入的USB的5V电源作为输入；将芯片的5脚通过一系列阻容滤波，转换为3.3V输出向其他芯片供电。

指示灯具体包括：单片机运行指示灯D1，与单片机的8脚相连，指示系统是否工作；电源指示灯D2，与3.3V相连，指示系统的3.3V电源是否正常；dwm1000通信指示灯D3、D4，与dwm1000芯片的13、12脚相连，指示dwm1000芯片的接收、发送通信情况。

dwm1000超宽带模块的电源来源于USB接口的5V电压，使用TPS73601芯片将5V转换为3.3V电平供给STM32以及dwm1000超宽带模块类芯片，并且有电源指示灯指示电源是否正常，同时在串口的端口连接指示灯，指示收发是否正常。

所述的通信模块的接口形式为USB接口，通信方式为串口RS232协议。

一种无人小车的室内导航系统的使用方法，其具体步骤包括：

S1：距离信息的提取：

a：使用mc数据进行定位标签工作，对接收的数据放入缓存中等待处理；

b：对这些数据进行检测，如接收到mc字符串，则开始对后续的字符串进行处理；

c：使用Python语言中有专门的换算函数int将字符串内容换算为数据并存入距离变量中；

S2：坐标求解：

a：读取三个锚节点坐标点A、点B、点C作为圆心，分别为(X1，Y1)、(X2，Y2)、(X3，Y3)；

b：三个分别以点A、点B、点C作为圆心的圆周相交于一点D；

c：读取目标点到三个锚节点坐标ABC的距离，即点A、点B、点C与交点D的距离分别为d1、d2、d3；

d：设交点D的坐标为(X,Y)。可以得到方程组(1)；

e：由式(1)可以得到交点D的坐标为：

f：对于MATLAB、Python类数学函数比较强大的编程语言由式(2)写出代码；对于单片机类只能使用标准C语言编程的器件需要手动将矩阵的逆与矩阵乘法写成代数形式；

S3：坐标显示：

a：导入Matplotlib包进行坐标点的绘制；

b：导入Matplotlib.Python模块做数据绘图；

c：设置X、Y坐标范围；

d：生成图；

e：确定坐标点显示的颜色、形状类属性；

f：在图中绘制求解得到的坐标点；

g：间隔1ms；

h：是否中断退出，如否从步骤c开始重复，如是则结束；

S4：初始化定位输出节点，将得到的位置信息按照ROS系统消息发布，供华夫派小车直接使用。

所述的步骤S2的坐标求解采用的是三边测量法。

所述的步骤S2的b中的交点D即为移动节点，A、B、C即为参考节点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。