基于UWB技術的智能跟隨講解機器人

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(河南科技大學　河南　洛陽　471023)

隨著機器人技術近年來的飛速發展，越來越多的領域開始將機器人投入使用，從工業、農業、醫療到服務業，各個領域都在發生著日新月異的變化，也給人們的生活方式帶來了巨大改變。

一、背景

據新聞報道，近年來，一些博物館、美術館開始引進智能講解機器人，來輔助或代替人工講解，吸引了不少眼球。2016年4月，江蘇徐州西漢南越王博物館舉辦的春季特展中，穿著藍白拖地漢服、身高1.4米的“藍藍”機器人在向過往游客介紹展品。“藍藍”是西漢南越王博物館推出的第一代智能服務型機器人，可以沿著展廳文物參觀路線不斷移動，并且調整身體的姿勢和臉的朝向與觀眾互動，并支持多種語言的講解。此外，以新松機器人為代表的一系列機器人公司也不斷推出了自家的講解機器人產品，市場上該類產品的種類的數量不斷豐富。由此可見，在博物館、展覽館中使用機器人代替人工講解已成為一種趨勢和潮流。

二、智能跟隨機器人的設計與技術應用

(一)創新設計

1.以跟隨方式代替傳統的提前規劃路徑方法，減少展前準備工作，靈活性、自由性更強，提升游客觀展體驗。

2.采用超寬頻帶(UWB)無線傳輸技術建立目標與機器人間的通信，基于時間到達法(TOA)實現對機器人的精確定位。

3.使用二自由度PID跟隨控制算法，可實現對移動目標連續穩定的跟隨。

4.通過RFID標簽和射頻技術，能夠以較低成本實現對展品的識別和定位。

(二)超寬帶(UWB)定位技術

超寬帶技術是一種全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶可用于室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。

超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度，十分滿足本次設計所需。

(三)基于接收信號到達時間法(TOA)的應用

基于接收信號到達時間法是通過計算發射信號與參考節點處接收信號的時間信息來得出節點間的距離信息。在該測距定位方法中，如果可以使子節點和參考節點嚴格公用同一時鐘，則很容易可以由參考節點處的時間檢測從而得出信號傳播時間，從而得到距離信息。對單個路徑環境中AWGN(加性高斯白噪聲)下的信道環境，TOA非常適合于帶寬極寬的UWB定位技術。在AWGN噪聲下，估計方差的下限可利用Gramer-Rao下限給出：

其中SNR是信噪比，β是有效信號帶寬，可以下式表示。其中，S(f)表示發射信號的功率譜密度。

UWB無線信號應用基于接收信號的時間技術可以實現非常精確的定位。根據FCC的規定，室內的UWB通信系統實際使用頻譜范圍在3.1GHz-10.6GHz之間，如果脈沖超寬帶信號在SNR=0dB的情況下可以完全有效的利用這一頻率范圍，定位誤差將會達到厘米級。由于基于時間的測距技術具有以上優點，本設計采用的定位方式即為精確的TOA測距定位技術。

(四)離線語音系統應用

離線語音系統是指將特定的語音信息儲存到機器人內部存儲空間，當外部傳感器接收到特定信息，主控制器根據信息內容將其對應的語音信息播放出來。離線語音系統無法與游客實現語音交互，但由于無需接入互聯網，在任何情況下都可以使用，而且反饋的語音信息可自由定義，可根據傳感器設置不同的觸發條件，簡單易用，降低了系統復雜度和成本。

講解機器人一般需要活動的范圍較大，且一般應用于室內環境，并不能保證其時刻接入互聯網。另一方面，展館內人流數量較大，環境嘈雜，不利于實現語音交互。因此，本設計選用離線語音系統作為講解機器人的講解方案，機器人只需對展品進行范圍性定位，當機器人進入某展品范圍，則觸發相應展品的語音控制信號，講解機器人通過講解將展品介紹信息傳遞給游客。

三、硬件系統設計

首先將UWB模塊的標簽分別安裝在機器人的左右方，使之能夠幾乎不失真的獲得左右輪子與人之間的位置信息。通過主控制器經一定的算法處理后，能夠計算出輪子與跟隨目標之間的角度信息與距離信息，這些信息再由主控進行二自由度PID算法后，實時對電機驅動發出相應的信號，從而實現電機的調速、穩定、可靠跟隨。系統的整體設計框圖如下圖所示

系統整體設計圖

(一)UWB定位模塊的選取

為了實現超寬帶信號的發送與接收，定位模塊的選取是十分重要的。綜合考慮,本次設計選用DecaWAVE公司推出的DW1000芯片。下面對DW1000進行介紹。

●DW1000允許在室內實時定位系統(RTLS)中，使對象位置精確到10cm，即使物體移動速率高達5m/s。

●允許高數據率通信，能夠達到6.8mb/s

●外加接受裝置后接收范圍能夠達到290m

●在多徑干擾下依舊可以具有可靠通信

●低功耗

(二)信號處理芯片的選取

DW1000之間進行通訊需要占據大量的帶寬和運算負載，若只使用一個核心處理器來處理各個DW1000間的原始數據，將嚴重影響系統工作效率。因此本設計將每個DW1000原始數據首先傳入一個子處理器，子處理器使用TOA算法將原始數據換算成距離，再與連接主處理器的UWB標簽進行通信，由標簽將距離信息傳輸至主處理器。本次設計我們選擇的是STM32F103RDT6作為子處理器，它具有32位數據處理的能力，64KB的RAM,384KB的FLASH，處理性能優越。

(三)電機控制電路

由于機器人的笨重，需要采用大功率電機，對電機驅動模塊要求很高，一般電機驅動芯片無法勝任，因此我們選擇了L298N模塊來進行電機驅動的設計。

L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；額定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。本文設計的跟隨機器人中采用的是帶速度反饋的直流電機。

(四)穩壓電路的設計

由于給電機供電的DC鋰電池使用時電壓下降幅度很大，導致電機轉速不穩定，另外雜波脈沖也會對主控芯片產生干擾，因此設計穩壓電路是極其必要的。針對本設計，我們選擇以LM2596為穩壓芯片搭建穩壓電路。

LM2596開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150KHz，與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更優化了LM2596的使用，極大地簡化了開關電源電路的設計。

(五)射頻讀寫電路

一個典型的RFID 系統工作的流程大致為讀寫兩個部分：由讀卡器讀取標簽和向標簽中寫信息，其中讀寫的信息最終都發送到上位機系統中。讀取標簽信息時，標簽進入讀卡器的工作范圍，通過電感耦合或者電磁波的反向散射獲取能量；上位機發出讀取標簽指令信號給讀卡器；讀卡器將其存入微控制器中，由程序控制射頻芯片發送讀取數據的命令給標簽；標簽根據接收到的讀數據命令信號將存儲單元中指定的數據，以負載調制或者反向散射調制的方式，通過天線發送到讀卡器；讀卡器再將數據發送到上位機系統。向標簽中寫信息時，過程類似。上位機將程序下載到微控制器，控制讀卡器射頻芯片發送向標簽寫數據的指令；得到響應之后，以一定的方式將數據寫到所設計標簽的相應存儲單元。

本設計中，首先向RFID標簽寫入展品編號等識別信息，將其固定到相應展品上，作為展品的識別標簽；當RFID讀卡器進入展品范圍，將通過電磁波將相應標簽激活，進而讀取到展品身份信息；最后經由讀卡器與主控制器間的通信網絡，將讀取到的數據發送至主控制器處理。

(六)音頻播放電路

本設計采用集成音頻儲存、解碼、功放、輸出一體化集成音頻模塊，該模塊是一個提供串口控制的MP3模塊，集成了MP3、WAV的硬解碼，同時軟件支持USB/TF驅動，支持FAT16、FAT32文件系統。通過簡單的串口指令即可完成播放指定的音頻文件，模塊自帶MicroSD和USB接口，用于存儲音頻文件。該模塊通過串口與主控制器進行通信。當主控制器接收到射頻模塊讀取到的信息，則根據讀取內容向與音頻模塊連接的串口發送播放控制指令。

四、系統的性能分析

評價跟隨機器人跟隨效果的好壞，可以從跟隨運動的響應速度、運動的平穩性、與跟隨目標的偏差三個方面來進行考慮。

響應速度：機器人的控制指令由TOA算法測得距離值和兩側距離差決定，通過定時器中斷以一定頻率發送控指令，發送頻率過低會降低響應速度，比如當游客開始運動時，機器人會延遲一會，然后執行跟隨動作。若控制指令發送頻率過高，則會導致機器人動作過于靈敏，抗擾動能力較差。

運動平穩性：運動平穩性又可以理解為機器人運動時運動路徑的平滑性，該性能指標一方面受控制指令發送頻率影響，另一方面與PID控制參數的設置有關，比如當某PID參數的階躍響應在目標值附近產生振蕩，則機器人的跟隨運動路徑為迂回曲線，而不是直線或平滑曲線。

跟隨目標偏差：跟隨偏差是指機器人運動時與跟隨目標總是存在橫向距離差，導致該偏差的原因可能是基站時鐘信號沒有同步，另一個可能原因是PID參數不當導致階躍響應存在靜態誤差。

此外，上述性能指標也會受到外界因素的干擾，比如UWB信號受到其相近頻率信號干擾、機器人與跟隨目標之間間隔物體導致對信號傳輸的影響等，當機器人與跟隨目標的固定跟隨距離設定過大，則更容易受到信號阻擋；距離過小則有可能使機器人發生碰撞。

五、設計總結

講解機器人逐漸取代人工講解已成為一種趨勢，并逐漸向多樣化、智能化的方向發展，越來越多的博物館、展覽館將講解機器人投入到實際場景中應用，機器人企業也推出了越來越多講解機器人的商業化產品，但對于該類機器人的改進和研究還遠遠不夠。我們團隊創新性地提出了跟隨型講解機器人設計方案，將高精度的目標跟隨技術融入講解機器人。基于UWB技術實現高頻通信，對機器人本體進行相對定位。UWB技術以其系統容量大，高速的數據傳輸，分辨率強，隱蔽性強，定位精確，抗干擾能力強，低成本、低功耗等優點，在基于無線通信的室內定位技術中較為出色；根據機器人的相對位置信息，使用二自由度PID算法來控制電機，使運動系統表現出較好的速度跟蹤響應和負載調節響應；使用射頻技術和RFID標簽實現低成本的物體識別定位方案；為了使機器人適應不同場景下的解說任務，采用科大訊飛的語音合成技術生成解說內容，可隨時對內容進行修改完善，提高布展效率。電路設計方面，為了得到更好的線性和負載調節特性，我們采用降壓型電源管理單片集成電路LM2596開關電壓調節器輸出3A的驅動電流；為了解決底盤及電機負載較大的問題，我們選擇了L298N模塊來驅動大功率電機的設計；為了實現超寬帶信號的發送與接收，我們選用DecaWAVE公司推出的DW1000芯片，用于增加數據傳輸的可靠性及實現機器人的精確定位。

我們團隊研制的這套智能跟隨系統可實現連續、穩定的目標跟隨，該方案不僅可以用于解說機器人，只需稍加改裝同樣可以用于其它設備的智能控制，例如平衡車，智能輪椅，智能代步車等，應用場景廣泛。在不久的將來，隨著智能技術的不斷改進，這套智能跟隨系統將會有更加長遠的發展，我們也將對所設計的智能跟隨講解機器人進行進一步的完善。