面向巡检机器人的渐进式信标选择高精度UWB定位方法

《Measurement and Control》：High-precision UWB localization with progressive beacon selection for inspection robots

　　

摘要专业翻译 在杂乱工业环境中，由于多径/非视距（NLOS）效应以及变化的信标几何构型，地面巡检机器人的高精度超宽带（UWB）定位面临挑战。本文提出一种二维（2D）一致性定位流程，通过去除已知高度分量将三维（3D）UWB测距投影至水平面，从而构建平面定位圆。随后建立辅助点定位模型：对于每个信标对，根据两圆几何关系（相交、相切或相离）生成一个辅助点，并通过质心估计融合所有辅助点获得机器人位置。为增强在不利信标布局和异常测距条件下的可靠性，引入两阶段验证，包括用于几何强度检验的位置精度因子（PDoP）验证和用于测距一致性的残差一致性检验。最后，渐进式信标组合策略按投影距离对信标排序，形成嵌套候选组，并使用带尺寸惩罚的残差评分选择最优组。仿真和实际定点实验表明，所提方法提供了一种轻量级且鲁棒的定位解决方案，适用于在复杂室内和工业场景中运行的巡检机器人。

论文解读文章

一、研究背景与问题

移动巡检机器人日益广泛地部署于变电站、工厂、隧道及地下管廊等全球导航卫星系统（GNSS）不可用或不可靠的环境中。无线定位因此成为室内机器人导航的重要基础，但其性能从根本上受限于可观测性、测量噪声和部署几何构型。在现有室内定位技术中，UWB凭借其精细的时间分辨率可实现高精度测距，并支持实用的室内定位系统。然而，在实际设施中，多径丰富的传播环境可能主导UWB测距不确定性，实验研究已表明非视距（NLOS）识别与缓解对于可靠的UWB定位至关重要。在工业物流和巡检场景中，定位性能进一步受到部署现实性、遮挡动态性和设备相关延迟的影响。

现有鲁棒UWB定位研究主要通过NLOS识别、测距误差缓解和基于学习的校正来提升测量可靠性。基于信道冲激响应（CIR）的分类器和深度信号表征模型可从信道特征中区分视距（LOS）/NLOS条件，长短时记忆网络（LSTM）或基于学习的方案进一步缓解UWB定位中的NLOS效应。自适应信道偏差估计、基于Transformer的NLOS识别以及专门的NLOS缓解方法也被用于降低测距偏差。然而，这些方法在信道特征、训练数据或额外动态模型可用时有效，但通常侧重于测量校正而非从当前可见信标中在线选择几何上可靠的子集。信标部署与选择是另一密切相关的研究方向，锚点布置研究根据场景约束、克拉美-罗下界（CRLB）或期望定位误差优化信标位置，但大多数面向布置的方法是离线部署设计手段。机器人开始移动后，可见信标集合仍可能因遮挡、通信可用性或NLOS阻塞而变化，因此需要一种互补的在线机制来在定位过程中评估可用信标组合。

本文的目标是为携带固定高度UWB标签的地面巡检机器人实现鲁棒的平面定位。在每个定位时刻，方法从已知信标坐标、可见信标测距以及标签/信标高度信息中估计水平机器人位置，需应对变化的可见性、多径/NLOS偏差测量和弱信标几何。

二、研究内容与结论

研究人员提出了一种轻量级、仅依赖UWB的定位流程，将3D测距投影至2D平面，在相交、相切、相离或包含条件下将每个信标对转换为辅助定位点，并使用PDoP和残差验证选择可靠的可见信标子集。各组成部分（包括高度投影、PDoP评估、残差检验和子集搜索）均为成熟技术；本工作的贡献在于将其与辅助点机制集成，使相交和非相交圆约束都能为鲁棒巡检机器人定位提供可比较的几何证据。仿真和实际定点实验表明，所提方法提供了一种轻量级且鲁棒的定位解决方案，适用于复杂室内和工业场景中的巡检机器人。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：第一，高度投影方法，利用毕达哥拉斯关系将3D UWB测距投影至水平面，构建2D定位圆约束；第二，辅助点定位模型，对每个信标对根据两圆几何关系（相交、相切、相离或包含）生成辅助点，并通过质心估计融合所有辅助点获得位置估计；第三，两阶段验证机制，包括PDoP验证以评估信标几何强度，以及残差一致性检验以验证测距一致性；第四，渐进式信标组合策略，按投影距离对信标排序，形成嵌套候选组，并使用带尺寸惩罚的残差评分选择最优信标组。

四、研究结果

问题公式化与高度投影

研究人员将定位问题形式化为从测距集合推断未知平面位置，同时识别在几何上足够信息丰富且在测距残差上足够一致的子集。通过已知或近似恒定的标签高度，计算每个信标与标签之间的绝对高度差，利用毕达哥拉斯关系将3D测距投影为平面测距，从而构建平面定位圆约束。

基于圆几何的辅助点估计

研究人员对每个信标对根据两圆几何关系生成辅助点。对于相交圆，计算两个交点并选择与其余圆距离和较小的候选作为辅助点；对于相切圆，切点直接作为辅助点；对于外离圆，取两圆在中心连线上交点连线的中点作为辅助点；对于内含圆，同样取两圆周在中心连线上交点连线的中点。最终位置估计为所有辅助点的质心。

位置精度因子验证

研究人员引入PDoP验证以量化信标布局的几何强度。通过构造几何矩阵并计算协方差相关矩阵，得到PDoP指标。较小的PDoP值表示所选信标提供更强的平面几何约束，较大的PDoP值表示病态信标几何可能放大位置误差，即使测距残差很小。

残差一致性检验

研究人员引入残差一致性检验以验证测距一致性，拒绝其投影测距无法共同支持一致位置估计的信标组，从而处理由多径/NLOS偏差和异常测距引起的约束不一致。

渐进式信标组合选择

研究人员提出渐进式信标组合策略，按投影距离对信标排序，形成嵌套候选组，并使用带尺寸惩罚的残差评分选择最优组。该策略在保持计算轻量性的同时，有效排除具有较大系统坐标偏差或较差几何质量的信标组。

五、讨论与结论

讨论部分指出，所提方法在动态运行和信标安装误差方面具有鲁棒性。对于缓慢移动的地面巡检机器人，标签位置在单次测距更新内可视为准静态，运动引起的动态偏差主要表现为投影圆约束间的临时测距不一致，这些不一致由残差一致性检验和渐进式信标子集选择处理。对于信标安装误差，小坐标偏差被视为几何扰动并反映在PDoP和残差一致性评估中；严重系统安装误差无法由单历元仅UWB估计器完全消除，应通过部署前校准或未来在线锚点校准机制来减小。

结论部分表明，所提出的方法通过集成高度投影、辅助点定位模型、两阶段验证和渐进式信标组合选择，提供了一种轻量级且鲁棒的UWB定位解决方案，适用于在复杂室内和工业场景中运行的巡检机器人，仿真和实际定点实验验证了其有效性。