基于UWB 技術(shù)的室內(nèi)移動機器人跟隨系統(tǒng)設(shè)計

曹江浩，譚曉東，陳樂鵬

（大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

引言

快速發(fā)展的機器人行業(yè)，為人們提供多種服務(wù)于室內(nèi)的移動機器人[1]。隨著我國人口老齡化愈發(fā)嚴(yán)重，年輕人迫于生活壓力不得不忙于工作，為更好地服務(wù)于老年人和殘障人士的生活，設(shè)計一款基于UWB 的跟隨機器人來提供陪伴和看護任務(wù)。

超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）技術(shù)是一種脈沖無線電，在很長一段時間內(nèi)，UWB 技術(shù)一直應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。2002年開始，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）才批準(zhǔn)將UWB 用于民用，并制定了嚴(yán)格的使用規(guī)范[2]。超寬帶系統(tǒng)憑借其遠超傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的帶寬而具有超低功耗、多徑分辨率能力更高、更易于集成以及定位性能高等優(yōu)點，故選用超寬帶作為機器人的通信系統(tǒng)，可滿足移動機器人高精度定位需求。

1 UWB 技術(shù)定位原理

無線定位方法通常可以分為測距和非測距的兩種類型定位方法[4]。前者的定位原理需要得出基站Anchor 與待測標(biāo)簽Tag 之間的距離或角度信息，通過建立多個方程形成方程組來求解得到一個最優(yōu)解即Tag 的位置坐標(biāo)。后者則是通過網(wǎng)絡(luò)之間的互通性來確定Tag 之間的跳數(shù)，根據(jù)已知Anchor 位置信息估計每一跳之間的大概距離，然后通過相應(yīng)算法求出位置信息。由于第一種類型定位方法定位誤差較大，不能滿足高精度室內(nèi)定位要求，因此本文選擇基于測距的無線定位方法。

超寬帶技術(shù)通過測距的方式進行定位的方法主要有SSR，AOA，TOA，TDOA。本文采用 TOA 的定位方法。通過測量信號從Anchor 到Tag 的飛行時間來計算兩者之間的距離，再通過三邊定位算法得到Tag 的具體位置坐標(biāo)。三邊定位法原理如圖1 所示[5]。

圖1 三邊定位法模型

上圖中，三個點為已知坐標(biāo)信息的Anchor，其值分別為 （x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），X 點為未知 Tag 位置坐標(biāo)（x，y）。三點到 X 的距離分別為 r1，r2，r3。信號從 Tag 發(fā)出到Anchor 接收的時間是 ti，ri=ti*C（i=1，2，3），C 為無線電波在空氣中的傳播速度約為299792458m/s。

上式中，三個方程中只有x，y 兩個未知數(shù)，求解可得到待測坐標(biāo)（x，y）。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架（如圖2）

2.2 UWB 模塊

本次實驗選擇使用藍點無限的BPhero-UWB 模塊作為信號的發(fā)生器和接收器，是基于主控MCU 為STM32F103C8T6 和DWM1000 官方模塊的開發(fā)板，其硬件設(shè)備如圖3 所示，其外圍電路有OLED 液晶接口、反接保護與過流保護電路、SWIO 下載接口、LED 指示燈等，最高主頻72MHz，工作電壓3.3v。下載程序采用型號為Stlink V2的串口連接，DWM1000 接口電路圖如圖4 所示。

圖3 BPhero-UWB 模塊

2.3 運動速度檢測模塊

該模塊為安裝于電機尾部的增量式霍爾編碼器，該編碼器輸出的信號為正交AB 相，其為標(biāo)準(zhǔn)的方波，STM32 自帶編碼器接口，可以直接使用硬件計數(shù)來判別電機的旋轉(zhuǎn)方向和速度。其接口電路如圖5 所示。

2.4 避障模塊

紅外光電傳感器屬于光電接近開關(guān)的一種，它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無[6]。通過紅外傳感器檢測移動機器人周邊是否有障礙物，以實現(xiàn)機器人的自動避障功能。其接口電路如圖6 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4 DW100 接口電路圖

圖5 運動速度檢測模塊電路

3.1 跟隨方案說明

由于人與移動機器人所處的環(huán)境為三維立體空間，故以機器人作為參考建立三維坐標(biāo)系[7]。如圖7 左所示，其中O、A、B 為裝在機器人上的3 個UWB 模塊作為基站，坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3），人身上佩戴或手持一個 UWB 模塊作為標(biāo)簽 T（x，y，z）。三個基站的放置按照等腰三角形三個頂點固定在機器人上，保證OA 與OB 相等，基站不斷發(fā)出UWB 脈沖信號，標(biāo)簽T 接收到信號后經(jīng)濾波處理，再根據(jù)TOA 算法即可得到標(biāo)簽到3 個基站的距離TO，TA，TB。通過相關(guān)幾何運算可以得到標(biāo)簽與基站所在平面的高度TC 值。

圖6 避障模塊電路

圖7 跟隨方案圖

如圖7 右所示，由于基站A 和B 在安裝時已經(jīng)固定且距離已知，TA、TB 經(jīng)TOA 算法也已得到，故可根據(jù)余弦定理計算出△ABT 的任一角度值。控制變量TA 與∠TAB 的值即可達到控制機器人跟隨的目的。具體如下：設(shè)置兩基站A，B 距離為0.3m，OA=OB=0.4m，經(jīng)過TOA算法及相關(guān)幾何運算可得出TC、TA、∠TAB 的具體值。判斷TC 值是否大于1.8m，若大于，則機器人標(biāo)簽處于異常位置，移動機器人停止運動；若不大于，則機器人標(biāo)簽處于正常位置，繼續(xù)執(zhí)行下一步。然后判斷TA 是否大于1m，若小于1m，機器人與標(biāo)簽距離很近，停止運動；若大于1m，機器人需要通過移動靠近標(biāo)簽位置，具體運動方向需根據(jù)∠TAB 的值判斷。∠TAB 小于65°時，機器人運動方向為左；∠TAB 大于125°時，機器人運動方向為右；否則，機器人運動方向保持直行。

圖8 移動跟隨機器人控制流程圖

3.2 移動跟隨機器人控制流程圖（見圖8）

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于UWB 技術(shù)的高精度移動跟隨機器人，主要分析了UWB 系統(tǒng)的定位原理及方法，以STM32和DW1000 模塊為主體進行了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計，并編制了軟件的執(zhí)行程序。通過實驗表明，移動機器人可以在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高精度跟隨。