[論文レビュー] Autocalibration of a Mobile UWB Localization System for Ad-Hoc Multi-Robot Deployments in GNSS-Denied Environments

Carmen Martínez Almansa, Wang Shule+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2020

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 21被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、移動可能なアンカーを備えたGNSS非対応環境における高精度な局所化を実現する、Decawave DWM1001モジュールを用いたモバイル超広帯域（UWB）局所化システムの共同オンライン自己キャリブレーションアルゴリズムを提示する。本手法は、キャリブレーション遅延を低減し、Decawave社の内蔵メソッドに比べて精度を向上させ、動的なアンカー移動に対しても1m未満の位置決め誤差を維持する。シミュレーションおよび実測距離測定により検証された。

ABSTRACT

Ultra-wideband (UWB) wireless technology has seen an increased penetration in the robotics field as a robust localization method in recent years. UWB enables high accuracy distance estimation from time-of-flight measurements of wireless signals, even in non-line-of-sight measurements. UWB-based localization systems have been utilized in various types of GNSS-denied environments for ground or aerial autonomous robots. However, most of the existing solutions rely on a fixed and well-calibrated set of UWB nodes, or anchors, to estimate accurately the position of other mobile nodes, or tags, through multilateration. This limits the applicability of such systems for dynamic and ad-hoc deployments, such as post-disaster scenarios where the UWB anchors could be mounted on mobile robots to aid the navigation of UAVs or other robots. We introduce a collaborative algorithm for online autocalibration of anchor positions, enabling not only ad-hoc deployments but also movable anchors, based on Decawave's DWM1001 UWB module. Compared to the built-in autocalibration process from Decawave, we drastically reduce the amount of calibration time and increase the accuracy at the same time. We provide both experimental measurements and simulation results to demonstrate the usability of this algorithm.

研究の動機と目的

• 固定アンカー位置が不適切なGNSS非対応環境における、アドホックかつ動的なマルチロボット展開を可能にすること。
• 既存のUWBシステムが正確な多辺測定を実現するためには事前にキャリブレーションされた固定アンカーを必要とすることという制限を克服すること。
• アンカーの移動や位置推定のずれに対しても、局所化精度を維持できる自己キャリブレーションメカニズムを開発すること。
• Decawave社の内蔵自己キャリブレーションファームウェアに比べ、キャリブレーション遅延を低減し、精度を向上させること。
• 実測距離データとモンテカルロシミュレーションを用いて、移動型アンカーおよびタグの展開を含めたシステムの性能を検証すること。

提案手法

• 定期的なキャリブレーションフェーズ中にアンカー間の距離測定値を用いて、相対的なアンカー位置を推定する。
• 最小二乗推定器を用いて、アンカー間距離測定値に基づきアンカー位置を計算し、外部参照が不要な自己キャリブレーションを実現する。
• アンカー位置の誤差を、各ステップあたり±0.1 mのランダムなガウスノイズとしてモデル化し、キャリブレーション間のオンボードオドメトリのずれを模擬する。
• キャリブレーション済みのアンカー位置とタグへのUWB距離測定値に基づき、多辺測定を用いてタグの局所化を実行する。
• 自動キャリブレーション処理は、10ステップごとにトリガーされ、累積的な位置誤差の蓄積を低減する。
• DWM1001モジュールからの実UWB距離測定データを用い、測定誤差を特徴付け、シミュレーションパラメータに反映する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動可能なアンカーを備えた動的でGNSS非対応の環境下でも、移動型UWB局所化システムは高精度な局所化を維持できるか？
• RQ2 提案された自己キャリブレーションアルゴリズムは、Decawave社の内蔵ファームウェアに比べて、どのようにキャリブレーション遅延を低減し、精度を向上させるか？
• RQ3 アンカー間距離測定値のみを用いて、移動アンカーの位置ずれをどの程度補正できるか？
• RQ4 現実的な運動および距離測定誤差の条件下で、アンカーおよびタグの局所化精度はどの程度か？
• RQ5 繰り返しキャリブレーションサイクルを含む長期シミュレーションにおいて、システムはどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 提案された自己キャリブレーションアルゴリズムは、Decawave社の内蔵ファームウェアに比べ、キャリブレーション遅延を低減し、精度を向上させた。
• シミュレーション結果から、各キャリブレーションサイクル後にアンカー位置誤差が顕著に低減し、ずれが生じても1m未満の精度を維持していることが示された。
• アンカーおよびタグの変換誤差分布はきわめて集中しており、XおよびY方向の中央値誤差はいずれも0.1 m未塔であった。
• アンカー間距離が十分にあれば、回転誤差は低く（0.05 rad未塔）保たれ、安定した方向推定が可能であることが示された。
• 数百ステップにわたるシミュレーションでも、局所化精度が維持され、累積的な位置ずれに対して高い耐性を示した。
• DWM1001モジュールを用いた実測距離測定では一貫した誤差特性が得られ、シミュレーションの仮定が妥当であることが裏付けられた。