[发明专利]基于UWB无线定位与IMU融合的导航定位系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于UWB无线定位与IMU融合的导航定位系统及方法,该系统包括：安装于指定工作区域内的至少四个UWB基站；由两个UWB定位标签和两个IMU组成的标签装置；其中一个UWB定位标签与一个IMU以刚体连接方式安装在一起组成第一复合标签，另外一个UWB定位标签和IMU以刚体连接安装在一起组成第二复合标签，第一复合标签与第二复合标签以设定距离间隔安装在固定组件上组成所述标签装置；主控装置，用于接收标签装置数据，采用卡尔曼滤波器紧耦合的方式对UWB标签数据和IMU数据进行实时融合，得到当前位置数据和航向角数据；由标签装置及主控装置组成定位装置。本发明可以同时提供精确的位置信息和航向角信息，可广泛应用移动机器人的室内外导航。

技术领域

本发明属于导航定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB无线定位与IMU融合的导航定位系统及方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS) 可以为用户提供全球范围内的自主定位导航服务，如今已广泛的应用于各种领域。但由于受卫星时钟误差、星历数据误差、电离层影响、多径影响等诸多干扰，传统的卫星定位只能达到10m左右的定位精度，远无法满足一些对定位精度要求高的场合。载波相位差分技术即RTK(RealTime Kinematic)的出现，将卫星定位精度提高到厘米级，进一步拓宽了卫星定位技术的使用场景，但RTK成本较高，另外也无法在室内环境使用。随着区域内定位服务需求的日益增加，局部定位服务( Location Position Server )成为了研究的热点，常见的有WiFi指纹技术、UWB技术、蓝牙技术等。其中UWB技术以其高传输率，高穿透力，及较高的定位精度等优势已经在仓库，隧道等地方的人员、物资定位取得广泛的应用，但由于其定位效果在非视距环境下较差，极大的限制了其使用范围如各种移动机器人的导航定位，存在遮挡、多径干扰、信号不稳定导致定位误差较大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于UWB无线定位与IMU融合的导航定位系统及方法，采用拓展卡尔曼滤波器紧耦合的方式融合UWB标签数据和IMU数据，有效减小UWB非视距误差对定位精度产生的影响，，并且采用双定位标签融合陀螺仪得到全局可靠航向角数据，为各类室内外移动机器人导航定位提供可靠的位置和航向角数据支持，解决单一标签没有角度信息，无法为移动机器人提供航向角的问题。

本发明解决其技术问题是通过以下的技术方案实现的：

本发明提供了一种基于UWB无线定位与IMU融合的导航定位系统,包括：

安装于指定工作区域内的至少四个UWB基站；

由两个UWB定位标签和两个IMU组成的标签装置；其中一个所述UWB定位标签与一个IMU以刚体连接方式安装在一起组成第一复合标签，另外一个所述UWB定位标签和IMU以刚体连接安装在一起组成第二复合标签，所述第一复合标签与第二复合标签以设定距离间隔安装在固定组件上组成所述标签装置；

主控装置，用于接收所述标签装置数据，采用卡尔曼滤波器紧耦合的方式对UWB标签数据和IMU数据进行实时融合，得到当前位置数据和航向角数据；

由所述标签装置及主控装置组成的定位装置。

进一步地，所述第一复合标签与第二复合标签之间的距离为0.5m~1.0m。

本发明还提供了一种应用上述导航定位系统进行导航定位的方法，包括如下步骤：

步骤1，在多个UWB基站中选取其中一个作为参考坐标原点，精确测量其他基站的相对位置坐标，从而建立参考坐标系；

步骤2，获取UWB定位标签到各基站的UWB测距信息；获取IMU的加速度计和陀螺仪信息进行姿态解算，得到标签装置的IMU线性加速度信息；