[论文解读] 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 27

一句话总结

本文提出了一种基于Decawave DWM1001模块的移动超宽带（UWB）定位系统协作式在线自校准算法，可在全球导航卫星系统（GNSS）拒止环境中实现高精度定位，且锚点可移动。通过降低校准延迟并提升校准精度，相较于Decawave内置方法，该系统在锚点动态移动时仍能保持亚米级定位误差，经仿真和实测距离测量验证。

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.

研究动机与目标

• 在固定锚点位置不切实际的GNSS拒止环境中，实现自组织且动态的多机器人部署。
• 克服现有UWB系统依赖预校准固定锚点以实现精确到达时间多边测量的局限性。
• 开发一种自校准机制，即使在锚点移动和位置估计漂移的情况下也能保持定位精度。
• 与Decawave内置自校准固件相比，降低校准延迟并提升精度。
• 通过真实距离测量和移动锚点与标签部署的蒙特卡洛仿真验证系统性能。

提出的方法

• 系统在周期性校准阶段利用锚点间测距测量来估计相对锚点位置。
• 采用最小二乘估计器基于锚点间距离测量计算锚点位置，实现无需外部参考的自校准。
• 将锚点位置误差建模为随机高斯噪声（每步±0.1 m），以模拟校准间隔间的机载航位推算漂移。
• 基于校准后的锚点位置和与标签的UWB距离测量执行标签多边测量定位。
• 每10个仿真步长触发一次自校准过程，以减少累积位置误差。
• 使用DWM1001模块的实际UWB测距数据表征测量误差，并用于确定仿真参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有可移动锚点的动态GNSS拒止环境中，移动UWB定位系统能否保持高精度定位？
• RQ2 与Decawave内置固件相比，所提出的自校准算法如何降低校准延迟并提升精度？
• RQ3 仅依靠锚点间距离测量，系统在多大程度上可纠正移动锚点的位置漂移？
• RQ4 在真实运动和测距误差条件下，锚点和标签的定位精度如何？
• RQ5 在重复校准周期的长期仿真中，系统性能表现如何？

主要发现

• 所提出的自校准算法相比Decawave内置固件，显著降低了校准延迟并提升了精度。
• 仿真结果表明，每次校准周期后锚点位置误差显著降低，即使存在漂移仍能保持亚米级精度。
• 锚点和标签的平移误差分布高度集中，X和Y方向的中位数误差均低于0.1 m。
• 当锚点间距足够时，旋转误差保持较低水平（低于0.05 rad），表明方向估计稳定。
• 系统在数百个仿真步长内保持定位精度，证明其对累积位置漂移具有强鲁棒性。
• 与DWM1001模块的实际距离测量结果一致，验证了仿真假设的合理性。