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融合WiFi、激光雷达与地图的机器人室内定位

胡钊政 刘佳蕙 黄刚 陶倩文

胡钊政, 刘佳蕙, 黄刚, 陶倩文. 融合WiFi、激光雷达与地图的机器人室内定位[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(8): 2308-2316. doi: 10.11999/JEIT200671
引用本文: 胡钊政, 刘佳蕙, 黄刚, 陶倩文. 融合WiFi、激光雷达与地图的机器人室内定位[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(8): 2308-2316. doi: 10.11999/JEIT200671
Zhaozheng HU, Jiahui LIU, Gang HUANG, Qianwen TAO. Integration of WiFi, Laser, and Map for Robot Indoor Localization[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(8): 2308-2316. doi: 10.11999/JEIT200671
Citation: Zhaozheng HU, Jiahui LIU, Gang HUANG, Qianwen TAO. Integration of WiFi, Laser, and Map for Robot Indoor Localization[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(8): 2308-2316. doi: 10.11999/JEIT200671

融合WiFi、激光雷达与地图的机器人室内定位

doi: 10.11999/JEIT200671
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB1600801),国家自然科学基金(U1764262),武汉市科技局项目(2020010601012165, 2020010602011973, 2020010602012003)
详细信息
    作者简介:

    胡钊政:男,1979年生,教授,研究方向为3D计算机视觉理论与应用、智能车路系统、视觉与激光SLAM定位等

    刘佳蕙:女,1997年生,硕士生,研究方向为激光SLAM定位、机器人定位、多传感器融合等

    黄刚:男,1989年生,博士,研究方向为计算机视觉,室内/室外定位等

    陶倩文:女,1994年生,博士生,研究方向为3维计算机视觉,室内定位与车辆定位等

    通讯作者:

    胡钊政 zzhu@whut.edu.cn

  • 中图分类号: TN957.52; TP242

Integration of WiFi, Laser, and Map for Robot Indoor Localization

Funds: The National Key R&D Program of China(2018YFB1600801), The National Natural Science Foundation of China(U1764262), The Funds of Wuhan Science and Technology Bureau(2020010601012165, 2020010602011973, 2020010602012003)
  • 摘要: 由于室内环境受多径效应影响,单一WiFi定位效果不佳;激光雷达(LiDAR)虽然测距定位精度高,但在室内存在大量单一、重复的场景结构(如走廊)时,往往会由于无法提取有效特征进行匹配而造成大量错误定位。因此,该文提出基于卡尔曼滤波框架的WiFi、激光雷达与地图的融合定位新方法。其中,滤波器的状态定义为机器人当前与历史时刻的位置序列。滤波器的观测值由两部分组成,一部分为该文所提基于多环路分割地图下信号强度加权匹配的WiFi指纹定位结果;另一部分来自激光雷达在单一重复场景中计算出来的高精度相对定位结果(如横向定位)。利用场景地图中的先验参考位置,可将该横向定位结果转变为机器人位置的线性约束。最后,利用卡尔曼滤波器实现机器人高精度的融合定位结果。实验中,针对两种典型的单一、重复的室内场景,分别采用2维与3维激光雷达对该文算法进行验证。实验结果表明,由于激光横向定位精度可达厘米级,结合厘米级地图可以极大提高机器人定位精度。与单一WiFi定位算法相比,利用激光雷达计算出来的相对定位结果结合场景地图,平均定位误差可降低70%~80%,在满足机器人实时定位需求情况下,实现定位精度与稳定性的显著提升。
  • 图  1  本文方法整体流程图

    图  2  多环状WiFi指纹地图构建

    图  3  RANSAC检测点云中建筑墙面边缘直线

    图  4  实验场景及实验设备

    图  5  办公区走廊场景下不同定位算法实验结果对比

    图  6  实验场景及实验设备

    图  7  教学楼平台场景下不同定位算法实验结果对比

    表  1  单一WiFi指纹结合卡尔曼滤波前后定位结果对比

    算法最大误差(m)平均误差(m)
    WiFi定位4.971.57
    WiFi+卡尔曼定位4.261.32
    强度加权WiFi定位4.291.42
    强度加权WiFi+卡尔曼定位3.851.18
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    表  2  单一WiFi指纹结合卡尔曼滤波前后结果对比

    算法最大误差(m)平均误差(m)
    WiFi定位9.372.46
    WiFi+卡尔曼定位8.612.10
    强度加权WiFi定位8.142.28
    强度加权WiFi+卡尔曼定位7.381.92
    下载: 导出CSV

    表  3  不同定位算法融合前后误差与耗时结果对比

    算法定位耗时(s)平均定位误差(m)
    文献[4]0.081.52
    文献[4]+本文融合算法0.090.33
    文献[13]0.113.09
    文献[13]+本文融合算法0.130.72
    文献[14]0.102.55
    文献[14]+本文融合算法0.110.67
    文献[15]0.123.94
    文献[15]+本文融合算法0.140.84
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-04
  • 修回日期:  2021-01-22
  • 网络出版日期:  2021-01-29
  • 刊出日期:  2021-08-10

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