基于UWB的自主跟隨行李箱的設(shè)計(jì)

劉啟航 潘子淇 付若沖 田新志

摘要：針對(duì)機(jī)場(chǎng)，商場(chǎng)，酒店等平坦開(kāi)闊地區(qū)，設(shè)計(jì)一款基于UWB的自主跟隨行李箱，通過(guò)UWB基站與UWB標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)行李箱的定位，依據(jù)位置信息決定行李箱的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向。STM32處理器控制行李箱電機(jī)的啟停與轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)行李箱的自主跟隨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于UWB的自主跟隨行李箱，在較為開(kāi)闊的地面上，可以選擇讓行李箱跟隨主人行走;即使是在有少量障礙物的平地上且與標(biāo)簽距離較近的情況下，也可較好地跟隨。

關(guān)鍵詞：UWB定位;STM32 ;自主跟隨;行李箱

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0212-02

Abstract： Aiming at the flat and open areas， such as airport， shopping mall， hotel， etc.， a kind of autonomous following suitcase based on UWB is designed. The location of the suitcase is realized through the UWB base station and UWB label， and the movement and turning of the suitcase are determined according to the location information. STM32 processor controls the start， stop and rotation speed of the trunk motor， so as to realize the independent follow of the trunk. The experimental results show that the trunk can follow the owner on a relatively open ground， even on the flat ground with a small number of obstacles and close to the label.

Key words： UWB location; STM32; autonomous follow; trunk

1引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有很多的自主跟隨產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品很難實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)在各種環(huán)境精準(zhǔn)且靈活的自主跟隨，比如Rover的自動(dòng)跟隨機(jī)器人行李箱，采用的是機(jī)器視覺(jué)AI技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)機(jī)光線束，利用機(jī)器直覺(jué)抓取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這可以使Rover的自動(dòng)跟隨機(jī)器人行李箱緊緊靈活的跟隨標(biāo)簽用戶(hù)，但缺點(diǎn)也很明顯，就是在光照強(qiáng)度大的室外會(huì)影響跟隨，以及激光雷達(dá)被遮擋會(huì)無(wú)法跟隨。還有使用超聲波定位系統(tǒng)的自主跟隨機(jī)器人，雖然定位精度良好，但超聲波適用距離過(guò)短，且容易受溫度的影響，還需要適用大量的基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致成本過(guò)高。反過(guò)來(lái)說(shuō)，全球定位系統(tǒng)GPS已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用的很成熟了，但GPS在室內(nèi)非常容易受到室內(nèi)環(huán)境的屏蔽影響，導(dǎo)致失效，在室內(nèi)環(huán)境中存在非常嚴(yán)重的非視距干擾，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效的定位。還有通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)自主跟隨功能的，但藍(lán)牙在室外傳輸距離有限，受干擾較大。

針對(duì)以上等問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)更好的自主跟隨，本文設(shè)計(jì)了一款基于UWB定位系統(tǒng)的自主跟隨行李箱，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的跟隨使用者完成每日的出行任務(wù)。超寬帶（UWB）技術(shù)具有傳輸速率高、穿透能力強(qiáng)、成本低等，可在室內(nèi)外提供非常搞得定位精度等特點(diǎn)。因此使用UWB定位技術(shù)的來(lái)實(shí)現(xiàn)自主跟隨功能，具有很大的實(shí)用前景。

2跟隨原理

2.1跟隨行李箱邊長(zhǎng)檢測(cè)原理

自主跟隨行李箱測(cè)量基站與標(biāo)簽的算法采用的雙邊雙向測(cè)距法（DS-TW R），具體以基站0與標(biāo)簽1為例，基站0首先向標(biāo)簽1發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包，并記錄下發(fā)包時(shí)刻T1，標(biāo)簽1 收到數(shù)據(jù)包后，記下收包時(shí)刻T2。之后標(biāo)簽1等待Treply時(shí)刻，在T3（T3=T2+Treply1）時(shí)刻，向基站0 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，基站0收到數(shù)據(jù)包后記下T4，基站0 在收到數(shù)據(jù)包后在T5（T5=T4+Treply2）向標(biāo)簽1發(fā)送數(shù)據(jù)包，標(biāo)簽1記錄下接受得到的時(shí)間T6，如圖1所示。

雙邊雙向測(cè)距飛行時(shí)間計(jì)算方法，如式1所示。

假設(shè)設(shè)備 A 和設(shè)備 B 的時(shí)鐘精度是 20ppm，1ppm 為百萬(wàn)分之一，那么 Ka 和Kb 分別是 0.99998 或者 1.00002，ka 和 kb 分別是設(shè)備 A、B 時(shí)鐘的實(shí)際頻率和預(yù)期頻率的比值。設(shè)備 A、B 相距 100m，電磁波的飛行時(shí)間是 333ns。則因?yàn)闀r(shí)鐘引入的誤差為20*333*10-9 秒，導(dǎo)致測(cè)距誤差為 2.2mm，可以忽略不計(jì)了。因此采用雙邊測(cè)距方式。

最后通過(guò)計(jì)算出的飛行時(shí)間Tprop乘以光速就可以計(jì)算出基站0與標(biāo)簽1之間的距離。

2.2行李箱跟隨原理

首先將基站1與基站2固定在底座同一水平線上，兩基站之間距離為30厘米，基站0固定在基站1與基站2水平線上中垂線上，具體如圖2所示。

由雙邊測(cè)距算法可求出基站1與標(biāo)簽1的距離c與基站2與標(biāo)簽1的雨里b，以及基站0與標(biāo)簽1的距離d。

通過(guò)反余弦公式可算出角度θ以及角度α，通過(guò)對(duì)比角度的大小來(lái)控制行李箱的方向，通過(guò)距離d可以保持行李箱與標(biāo)簽1之間的距離。公式如式3所示。

3跟隨行李箱總體設(shè)計(jì)

3.1硬件結(jié)構(gòu)

自主跟隨行李箱的控制器采用的是芯片為STM32F103RCT6的單片機(jī)，STM32F407是32位高性能ARM Cortex-M4 處理器，速度是72MHz，程序存儲(chǔ)器容量是256KB，電源選用的是12V鋰電池，基站（基站0、基站1、基站2）與標(biāo)簽選用的是UWB-S1 開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板采用 STM32F103C8T6 單片機(jī)作為主控芯片，通訊速率高達(dá)6.8Mbit/s，工作頻率在3.5GHz-6.5GHz之間。外圍電路包括 DW1000芯片、電源模塊、LED 指示模塊、USB 通訊、USART 通訊等。該開(kāi)發(fā)板既可作為基站，也可以作為標(biāo)簽，通過(guò) USB/USART 指令進(jìn)行切換。電機(jī)驅(qū)動(dòng)為直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)為直流減速電機(jī)。

3.2硬件設(shè)計(jì)

控制器STM32F103RCT6主要控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)與基站之間的信息交互，12V鋰電池為整個(gè)行李箱系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)源，UWB模塊進(jìn)行雙向雙邊檢測(cè)，提供給控制器位置參數(shù)，如圖3所示。

3.3軟件結(jié)構(gòu)

自主跟隨行李箱軟件主要有兩大部分，分別是行李箱的運(yùn)動(dòng)控制程序和基站與標(biāo)簽的邊長(zhǎng)檢測(cè)程序。

3.4軟件設(shè)計(jì)

3.4.1行李箱運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

行李箱運(yùn)動(dòng)控制程序如圖7所示，電源開(kāi)始供電后，先進(jìn)行所有硬件模塊的初始化，初始化后進(jìn)入判斷程序，判斷程序通過(guò)基站與標(biāo)簽檢測(cè)的雙邊長(zhǎng)度，計(jì)算出角度θ與角度α的大小進(jìn)行判斷，若角度θ-角度α>給定范圍值，則發(fā)送融合指令“L”，即左轉(zhuǎn)指令，若角度θ-角度α<給定范圍值，則發(fā)送融合指令“R”，即右轉(zhuǎn)指令， 若角度θ-角度α=給定范圍值，則發(fā)送融合指令“W”，即前進(jìn)指令。若基站0與標(biāo)簽檢測(cè)距離低于給定值，則發(fā)送融合指令“S”，即停止指令。其程序流程圖如圖4所示。

3.4.2基站與標(biāo)簽的邊長(zhǎng)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

在開(kāi)開(kāi)機(jī)基站初始化后，基站與標(biāo)簽開(kāi)始互相發(fā)送數(shù)據(jù)包，基站開(kāi)始進(jìn)行雙邊雙向檢測(cè)，基站將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，由控制器中判斷程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、判斷。如圖5所示。

4系統(tǒng)功能檢測(cè)

測(cè)試場(chǎng)地分別位于室內(nèi)外進(jìn)行測(cè)試，室內(nèi)溫度20℃，室外溫度25℃，空氣質(zhì)量均為優(yōu)，將標(biāo)簽放在人身上，分別進(jìn)行加速、減速、直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于UWB的自主跟隨行李箱允許平穩(wěn)，轉(zhuǎn)彎行駛良好，未發(fā)生太大幅度的偏離路線，行李箱性能穩(wěn)定。

5結(jié)語(yǔ)

上述所設(shè)計(jì)的基于UWB自主跟隨行李箱，是在行李箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造，從而實(shí)現(xiàn)自主跟隨，但要在人員密集的環(huán)境進(jìn)行更好的自主跟隨，還需要不斷地測(cè)試，減少因環(huán)境影響而產(chǎn)生的邊長(zhǎng)檢測(cè)的誤差，進(jìn)而做到在人員密集環(huán)境對(duì)目標(biāo)對(duì)象更加實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的跟隨，這樣就可以使得行李箱在旅客的旅行過(guò)程中更加方便省力。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】