超宽带UWB技术在环境地图构建与优化中的应用
2025-01-19 15:11
No.1330556546224234496
技术概要
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本技术介绍了一种利用超宽带UWB技术构建和优化环境地图的新方法和系统,特别适用于极端环境条件。系统首先初始化一个二维栅格地图,然后通过UWB设备收集信号数据。通过确定LOS(视距)和NLOS(非视距)信号,系统能够精确地构建和优化环境地图,提高地图的准确性和可靠性。
背景技术
同时定位与建图SLAM是一种复杂的技术,在自主移动机器人和无人驾驶导航领域起着至关重要的作用,它要求系统在未知环境中能够一边构建地图,一边准确地确定自身的实时位置。目前激光雷达系统以及摄像头视觉系统是用于SLAM的常见外部传感器类型。然而,激光雷达和摄像头光源所使用的频率范围接近于电磁波谱中的可见光频率范围。因此,在充满烟雾或包含大量镜子等具有挑战性的场景中,这些光学测量设备的信噪比相对较低,这使得依赖此类设备的SLAM算法容易出现故障,显著降低自主系统的功能性能。 目前,在高温环境下的导航任务是一项至关重要的挑战,例如在火灾救援行动中,穿透烟雾快速定位受困者并规划出最安全的撤离路径;地下矿井内部,高温、灰尘多以及复杂的地质结构对技术提出了更高要求;在餐饮行业的厨房环境中,尤其是那些大型商业厨房,持续高温和重油烟中对自主系统有极大影响。近年来,鉴于射频(Radio Frequency,RF)信号在恶劣和极端环境条件下的稳定性,已有多种研究探索使用RF频段代替传统专用传感器进行SLAM。一些新型射频设备如超宽带雷达(UWB Radar)和微多普勒雷达(Micro-Doppler Radar)已经能够在具有挑战性的极端环境中初步完成SLAM任务,但他们相对较高的成本使得它们难以在工业生产和实验中广泛应用。 由于射频信号的频率特性优势以及基站标签系统(anchor-tag systems)的相对经济性,基于UWB系统的机器人定位得到了广泛研究。然而,完成基于UWB系统的建图算法仍然是一个挑战。 基于UWB雷达的地图建图,归类于特征点匹配定位与建图的范畴。UWB雷达以特定时间间隔发射信号,并随即收集回波信号。对这些回波信号进行相应处理,用于计算发出与接收到信号之间的时间差,进而依据信号传播速度推算出距离信息。通过利用到达时间(Time of Arrival,TOA)的三角定位原理,在二维平面上利用两组这样的距离测量值,即可初步确定最近障碍物的坐标位置。之后通过DBSCAN无监督的聚类算法有效的将障碍物给聚成一类,得到障碍物实体。之后随着移动,不断优化障碍物的位置,完成了整个算法的流程,构建了地图。该方法验证了UWB信号在面对复杂及恶劣环境条件下的地图创建可行性。然而,UWB雷达不同于传统的UWB Anchor-Tag Systems通信系统,不能集成在手机、手表等通信设备,很难有更广泛的应用;用UWB雷达成本昂贵,费用较高;UWB雷达定位仍然是依赖于点云特征点识别来定位,定位精度低。 融合声呐和激光雷达在视觉受阻环境实现地图构建,系统搭载烟雾传感器,当环境中的烟雾浓度大于预设阈值之后,导致常规光学传感手段效能下降时,系统能自动切换至依赖声纳数据进行空间感知与信息获取。在此策略下,声纳探测的数据经过相应的算法转换,以替代形式补充激光雷达因烟雾遮挡而缺失的点云信息。这一转换过程确保了即便在激光雷达直接观测能力受阻的情况下,仍能维持对环境的有效感知与精确定位,进而连续进行地图构建作业。然而,声呐包含的信息较少,仍然需要依赖于激光雷达数据;相同功率下,声呐传播距离远小于UWB信号,建图范围小。 在极端恶劣的室内环境中,如烟雾、暗光、玻璃的环境中传统的光学测量设备激光雷达、摄像头的信噪比相对较低,这使得依赖此类设备的SLAM算法容易出现故障,显著降低自主系统的功能性能,导致任务的失败。而像UWB雷达、声呐等新式传感器设备仍然是依赖于特征点匹配的算法框架,使得测量信息没有充分调用,测量范围小、精度低,且系统价格昂贵成本高。 因此,在极端恶劣的室内环境的地图构建需要:1、充分使用信号信息,完成地图信息的构建;2、不受恶劣环境的影响,有很好的鲁棒性;3、设备具有可集成化,能够在室内大场景中使用。 需要说明的是,在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
实现思路
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该技术已申请专利,如用于商业用途,请联系技术所有人!
技术研发人员:
刘厚德  刘益  翦卓著  陈鑫磊  王学谦
技术所属: 清华大学深圳国际研究生院
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