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ray 2024-03-18 17:34:02 +08:00
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@ -38,8 +38,8 @@ namespace uwb_slam{
Mat Kg(2, 2, 0);
Mat Z(2, 2, 0);
uwbStartPos.mat[0][0]=9;
uwbStartPos.mat[1][0]=0;
uwbStartPos.mat[0][0]=9;//表示UWB设备相对于imu在x方向上有9cm的距离后期如UWB摆放在imu正上方即删除
uwbStartPos.mat[1][0]=0;//表示UWB设备相对于imu在y方向上有0cm的距离
Mat H = F;
Mat I = F;
bool imuStartFlag = 1;
@ -65,7 +65,8 @@ namespace uwb_slam{
std::cout<<"roll:"<<roll<<std::endl;
if (imuStartFlag == 1 && imuPos.mat[0][0] != 0 && imuPos.mat[1][0] != 0) {
imuStartRoll = roll-PI/2;
imuStartRoll = roll-PI/2;//跟imu摆放的位置有关减PI / 2是为了让角度变成跟车前进方向的夹角
imuStartPos = imuPos;
imuStartFlag = 0;
}
@ -76,7 +77,7 @@ namespace uwb_slam{
prevPos = imuPos;
if (uwbDataRxTime != uwb_->uwb_data_.uwb_t_) {
std::cout << "uwb received" << std::endl;
//这一步是为了把上述提到的UWB设备与imu设备不在同一坐标轴上设计的坐标轴对齐操作
Rotate.mat[0][0] = cos(roll);
Rotate.mat[0][1] = -sin(roll);
Rotate.mat[1][0] = sin(roll);
@ -86,7 +87,8 @@ namespace uwb_slam{
uwbPos.mat[1][0] = uwb_->uwb_data_.y_;
uwbPos = uwbPos - Rotate * uwbStartPos;
//后期如UWB摆放在imu正上方即删除
//卡尔曼更新过程
predPos = F * syncPos + detPos;
Z = H * uwbPos;
P = F * P * (~F) + Q;
@ -95,7 +97,7 @@ namespace uwb_slam{
P = (I - Kg * H) * P;
uwbDataRxTime = uwb_->uwb_data_.uwb_t_;
} else {
syncPos = syncPos + detPos;
syncPos = syncPos + detPos;//如果UWB没有更新信息则使用imu对齐位置进行更新
}
imuDataRxTime = imu_odom_.imu_data_.imu_t_;
odomDataRxTime = odom_tmp_;

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@ -45,15 +45,7 @@ namespace uwb_slam{
while(1){
this->Serread();
// std::cout<<"s"<<std::endl;
// std::cout<<this->x<<std::endl;
/*if(t_tmp!=imu_odom_.imu_data_.imu_t_){
imu_odom_queue_.push(imu_odom_);
t_tmp=imu_odom_.imu_data_.imu_t_;
}*/
}
}
@ -82,13 +74,19 @@ namespace uwb_slam{
memcpy(&this->d[1], &tmpdata[5], sizeof(uint16_t));
memcpy(&this->d[2], &tmpdata[7], sizeof(uint16_t));
// std::cout << "d:" << d[0] << " " << d[1] << " " << d[2] << std::endl;
// 如果距离过大说明数据无效
if(abs(d[0]) > 2000 || abs(d[1]) > 2000 || abs(d[2]) > 2000) {
return;
}
// 修正车子和标签的高度差
// d[i]是三维距离,
for(int i=0; i<3; i++)
{
this->d[i] = sqrt(this->d[i] * this->d[i] - (AnchorPos[i][2] - CARHEIGHT) * (AnchorPos[i][2] - CARHEIGHT));
}
// 多项式拟合,用于提高精度,注释之后不影响
// 在不同的距离采集数据,然后拟合出一条曲线
// 这个地方的参数纯粹和设备特性有关,和标签位置无关
d[0] = ((((4.9083e-07 * d[0]) - 4.6166e-04) * d[0]) + 1.0789) * d[0] + 5.4539;
d[1] = ((((-4.1679e-07 * d[1]) + 5.0999e-04) * d[1]) + 0.7930) * d[1] + 29.8296;
d[2] = ((((2.3514e-07 * d[2]) - 1.8277e-04) * d[2]) + 0.9935) * d[2] + 9.8852;
@ -98,6 +96,7 @@ namespace uwb_slam{
-(this->AnchorPos[0][0]*this->AnchorPos[0][0]-this->AnchorPos[i+1][0]*this->AnchorPos[i+1][0])\
-(this->AnchorPos[0][1]*this->AnchorPos[0][1]-this->AnchorPos[i+1][1]*this->AnchorPos[i+1][1]);
}
// 构造线性最小二乘求解位置
Mat AT=~A;
uwbPos=(AT*A)%AT*b;
this->uwb_data_.x_ = uwbPos.mat[0][0];

108
Docs/UWB解算原理.md Normal file
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@ -0,0 +1,108 @@
# UWB 定位原理
#### 1.三维坐标转二维坐标
在割草机器人项目中割草机器人目前只考虑二维平面的定位。但是UWB测量的距离是三维距离所以我们根据机器人的高度`carH`和`UWB`标签的高度`UwbH`计算出水平距离`dxy`。
```cpp
// dxy^2 = di^2 - (UwbH = carH)^2
for(int i=0; i<3; i++){
this->d[i] = sqrt(this->d[i] * this->d[i] - (AnchorPos[i][2] - CARHEIGHT) *
(AnchorPos[i][2] - CARHEIGHT));
}
```
<img src="./Image/UWB高度修正.png" alt="" style="zoom:50%;" />
#### 2.多项式拟合
UWB的定位是存在波动的所以会根据UWB计算距离的规律对计算的距离进行多项式拟合可以起到滤波提高精度作用。下面的计算实际是收集不同实测距离下UWB的实际输出距离利用3次多项式拟合得到的结果。
下面的计算跟标签的位置以及高度无关主要跟UWB的硬件设备的特性有关。
```cpp
d[0] = ((((4.9083e-07 * d[0]) - 4.6166e-04) * d[0]) + 1.0789) * d[0] + 5.4539;
d[1] = ((((-4.1679e-07 * d[1]) + 5.0999e-04) * d[1]) + 0.7930) * d[1] + 29.8296;
d[2] = ((((2.3514e-07 * d[2]) - 1.8277e-04) * d[2]) + 0.9935) * d[2] + 9.8852;
```
#### 3.位置求解
UWB位置求解采用如下图示
<img src="./Image/UWB位置示意图.png" alt="" style="zoom:50%;" />
UWB的定位可以用下面公式描述, 其中$(x,y)$是割草机器人上面的UWB的位置另外三个坐标点是3个UWB标签的位置可以有如下的公式。
$$
d_1^2 = (x_1 - x)^2 + (y_1 - y)^2 \space\space\space\space\space (1)\\
d_2^2 = (x_2 - x)^2 + (y_2 - y)^2 \space\space\space\space\space(2)\\
d_3^2 = (x_3 - x)^2 + (y_3 - y)^2 \space\space\space\space\space(3)\\
$$
$(2)-(1)$以及$(3)-(2)$消去二次项,可得:
$$
d_1^2 - d_2^2 = \left[ -2(x_1 - x_2)x + x_1^2 - x_2^2 \right] + \left[ -2(y_1 - y_2)y + y_1^2 - y_2^2 \right] \\
d_1^2 - d_3^2 = \left[ -2(x_1 - x_3)x + x_1^2 - x_3^2 \right] + \left[ -2(y_1 - y_3)y + y_1^2 - y_3^2 \right]
$$
整理为矩阵形式:
$$
-2 \begin{bmatrix}
x_1 - x_2 & y_1 - y_2 \\
x_1 - x_3 & y_1 - y_3
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
x \\
y
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
(d_1^2 - d_2^2) - (x_1^2 - x_3^2) - (y_1^2 - y_3^2) \\
(d_1^2 - d_3^2) - (x_1^2 - x_3^2) - (y_1^2 - y_3^2)
\end{bmatrix}
$$
整理可得:
$$
\begin{align*}
A &= -2\cdot \begin{bmatrix}
x_1 - x_2 & y_1 - y_2 \\
x_1 - x_3 & y_1 - y_3
\end{bmatrix}\\
b &= \begin{bmatrix}
(d_1^2 - d_2^2) - (x_1^2 - x_2^2) - (y_1^2 - y_2^2) \\
(d_1^2 - d_3^2) - (x_1^2 - x_3^2) - (y_1^2 - y_3^2)
\end{bmatrix}\\
X &= \begin{bmatrix}
x\\
y
\end{bmatrix}
\end{align*}
$$
矩阵A对应的代码
```cpp
for(int i=0; i<2; i++){
A.mat[i][0] = -2*(this->AnchorPos[0][0]-this->AnchorPos[i+1][0]);
A.mat[i][1] = -2*(this->AnchorPos[0][1]-this->AnchorPos[i+1][1]);
}
```
矩阵b对应的代码
```cpp
for(int i=0; i<2; i++)
{
b.mat[i][0] = (this->d[0]*this->d[0]-this->d[i+1]*this->d[i+1])\
- (this->AnchorPos[0][0]*this->AnchorPos[0][0]-this->AnchorPos[i+1][0]*this->AnchorPos[i+1][0])
- (this->AnchorPos[0][1]*this->AnchorPos[0][1]-this->AnchorPos[i+1][1]*this->AnchorPos[i+1][1]);
}
```
那么,上述矩阵可以通过$X=(A^T\cdot A)^{-1}A^T*b$ 求解UWB的位置。
```cpp
Mat AT=~A;
uwbPos=(AT*A)%AT*b;
this->uwb_data_.x_ = uwbPos.mat[0][0];
this->uwb_data_.y_ = uwbPos.mat[1][0];
```

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After

Width:  |  Height:  |  Size: 33 KiB

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After

Width:  |  Height:  |  Size: 22 KiB

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After

Width:  |  Height:  |  Size: 14 KiB

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@ -0,0 +1,9 @@
割草机融合定位:
地图坐标系与小车坐标系重合小车起始点为坐标系原点使用三个标签分别是ABC。A放置在充电桩处。车上放置基站M。通过基站到三个标签的距离获得小车的位置信息。如图所示
![img](file:///C:\Users\ray\AppData\Local\Temp\ksohtml2328\wps2.png)
注:为了方便人为设定UWB坐标系与地图坐标系和小车坐标系均重合。
小车半径a
标签高度h
BC标签距离d