基于超宽带冲击无线电的自主移动机器人精确定位技术基础研究

智能自主移动机器人是机器人领域的主要发展方向，首要目标是实现在未知环境中的自主导航与定位，鲁棒、精确的定位系统非常关键。常规定位方法如超声波、视觉、GPS、蓝牙定位等在环境适应性、定位精度以及抗干扰性等方面不能满足发展需求。利用超宽带冲击无线电（IR-UWB）设计定位系统具有诸多优势：高精度、高速率、抗多径干扰、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低，理论上可以达到厘米级的测距精度。课题的重点研究内容包括IR-UWB无线信道模型建立、极窄脉冲信号产生、高效调制技术、IR-UWB组网、定位系统误差控制等。研究目标包括建立一体化的IR-UWB测距与定位模型，改进完善IR-UWB定位系统中各模块算法，定量考察各种因素对测距定位精度的影响，发展极窄脉冲接收方法，研究IR-UWB与其他系统的相互干扰问题，为IR-UWB无线精确定位提供科学基础和理论指导，对自主移动机器人精确定位技术的发展具有重要意义。

课题针对室内自主移动机器人精确定位问题，将IR-UWB用于机器人定位系统中。在充分吸收现有定位算法的基础上，提出基于主成份分析的定位算法，结合Kalman滤波以及接收信号相关矩阵的谱分解，对每一帧的接收信号进行加窗处理和主成份分析，可以显著降低计算复杂性。对于多节点系统，提出分步定位方法，通过利用移动节点最近参考节点可快速计算出移动节点的坐标值，从而使定位算法更容易实现。课题分析了UWB无线信道的特性，并对信道模型进行仿真，对不同条件下接收机的性能进行分析比较，提出适合于不同的UWB信道和系统环境下接收机结构，达到性能和复杂度的最优化。在组合脉冲设计方法的基础上对高斯类脉冲优化组合，设计出超宽带脉冲信号，具有较高的频谱利用率和灵活性。提出新型高增益超宽带天线，结合电场场仿真软件获得优化后的性能参数。课题建立UWB定位系统样机并进行系统测试，试验结果表明，UWB定位系统在较低的硬件成本下可以满足室内自主移动机器人的定位需求，定位精度在室内环境下可以达到十几厘米，此外UWB系统也可广泛应用于其他各种定位需求中。在该基金的支持下，已发表核心期刊以上论文5篇，获授权专利3项。后续相关成果将陆续整理成论文发表。