杜美玉，于湉，胡霆豐，王欣浩，李亞澎，高洪非

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010062）

0 引言

目前傳統(tǒng)GPS技術(shù)已經(jīng)成熟，可以針對(duì)自動(dòng)跟隨避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定位需求，但GPS技術(shù)在近距離定位方面仍然存在定位精度差的問(wèn)題。傳統(tǒng)跟隨采用的傳感器如攝像頭和超聲波等也存在很多實(shí)際應(yīng)用上的問(wèn)題，而UWB技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)近距離精準(zhǔn)定位，也不存在傳感器易受干擾的問(wèn)題，因此，基于UWB技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)跟隨系統(tǒng)是最好的選擇，此外由于輪式機(jī)器人在生產(chǎn)生活中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)搭建在自主設(shè)計(jì)的智能小車上，運(yùn)用PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，在系統(tǒng)中增加避障傳感器，從而實(shí)現(xiàn)整體的自動(dòng)跟隨避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1-3]。

1 UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)跟隨的概述

1.1 UWB技術(shù)測(cè)距的基本原理

TOF(Time of Flight,飛行時(shí)間測(cè)距法)主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離[4]。一對(duì)DWM1000中的發(fā)送者發(fā)送radio_message1，并記錄此時(shí)時(shí)刻t1，經(jīng)過(guò)TOF時(shí)間之后，這對(duì) DWM1000模塊中的接受者收到radio_messag后，延時(shí)t_reply時(shí)間后，發(fā)送radio_message2，經(jīng)過(guò)TOF時(shí)間后，發(fā)送者收到radio_message2，并記錄此時(shí)時(shí)間t2。計(jì)算信號(hào)飛行時(shí)間和測(cè)得距離公式入如式（1）和式（2），其中c為傳播速度。

1.2 UWB跟隨的基本原理

通過(guò)TOF算法，計(jì)算出標(biāo)簽和基站即被跟隨目標(biāo)對(duì)于機(jī)器人跟隨系統(tǒng)的距離，移動(dòng)跟隨機(jī)器人上安裝有3個(gè)UWBLOC跟隨模塊作為基站，人和機(jī)器人處在同樣環(huán)境中，身上穿戴有一個(gè)UWBLOC跟隨模塊作為標(biāo)簽，假設(shè)人初始時(shí)刻已被機(jī)器人鎖定。3個(gè)基站按等邊三角形三個(gè)頂點(diǎn)位置固定在移動(dòng)機(jī)器人上，用來(lái)發(fā)射UWB信號(hào)，標(biāo)簽接收到信號(hào)后，通過(guò)TOF算法可算出標(biāo)簽分別距3個(gè)基站的距離，再通過(guò)數(shù)學(xué)模型得到人相對(duì)于機(jī)器人的位置[5-7]，以機(jī)器人本身為參考系建立一個(gè)局部坐標(biāo)系統(tǒng)所示，定義3個(gè)基站位置距離AB、BC、AC均為a；定義BC邊上的高所在延長(zhǎng)線為y軸，y軸正向與機(jī)器人自身的方向一致，3個(gè)基站構(gòu)成的等邊三角形AB邊的中點(diǎn)為O（0，0，0），標(biāo)簽坐標(biāo)為M（x，y，z），其中z為標(biāo)簽到基站所在水平面的高度，等邊三角形的中心為H。

根據(jù)3個(gè)基站到標(biāo)簽的距離，通過(guò)解析幾何可以算出標(biāo)簽M在等邊三角形所在平面的投影M點(diǎn)到等邊三角形中心的距離，如式（3）所示。標(biāo)簽M在等邊三角形所在平面的投影M′點(diǎn)與等邊三角形中心H點(diǎn)的連線，即MH與y軸的夾角即方位角，如式（4）所示。

獲得L和θ之后，即可確定人相對(duì)與小車的位置，由θ控制小車轉(zhuǎn)向角度，L控制小車車輪轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)跟隨。

2 基于UWB技術(shù)的自動(dòng)跟隨避障系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用高性能、低功耗處理芯片STM32F103C8T6作為主控器，DC-DC降壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、rm35電機(jī)、智能小車組成運(yùn)動(dòng)部分，UWB模塊跟隨部分、漫反射光電傳感器避障部分、OLED顯示模塊構(gòu)成顯示部分，12V探照燈照明部分，完成自動(dòng)跟隨小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體關(guān)系如圖2。

3 基于UWB技術(shù)的自動(dòng)跟隨避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用浮動(dòng)式減震，保險(xiǎn)杠防碰撞式結(jié)構(gòu)保證穩(wěn)定性。

跟隨部分設(shè)計(jì)：UWB基站正三角型放置在智能車頂部，符合定位跟隨數(shù)學(xué)模型，便于控制。

避障部分：采用漫反射光電傳感器避障，價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，安放在車前，但由于檢測(cè)距離短，因此效果不是很好。

顯示部分：采用OLED模塊放置在車體角落可以查看運(yùn)動(dòng)速度，既方便又不占空間。

12V探照燈部分，采用12V探照燈，保證智能車在夜間也能工作。

4 測(cè)試以及結(jié)果

4.1 手動(dòng)測(cè)試

未對(duì)對(duì)該系統(tǒng)可行性進(jìn)行充分嚴(yán)重，分別極易三種不同模式對(duì)小車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。首先進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試工作，基于手動(dòng)模式，小車按照操作人員指令完成設(shè)計(jì)軌跡的運(yùn)行工作。對(duì)小車向右、向左、向后以及向前等功能分別進(jìn)行設(shè)置，操作人員完成設(shè)置后，小車能夠立即朝著設(shè)定方向行駛。操作人員進(jìn)行低速、中速以及高速設(shè)置是，能夠?qū)π≤囆旭偹俣鹊淖兓M(jìn)行直觀觀測(cè)，見圖4。

為小車進(jìn)行不同速度的設(shè)置，借助編碼器對(duì)小車實(shí)時(shí)行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋回收，采用頻率為1次/5min。通過(guò)上圖能夠發(fā)現(xiàn)，基于設(shè)定速度條件下，小車可以穩(wěn)定行駛。因此，基于手動(dòng)模式條件下，有著良好行駛抓昂太，符合系統(tǒng)要求。

4.2 跟隨模式

基于搬運(yùn)情境，需要小車和工人或是其他設(shè)備保持良好距離?；诟S模式，傳感器主要涵蓋超聲波、防撞條傳感器以及UWB模塊。為了對(duì)小車在此模式中的實(shí)際行駛狀態(tài)進(jìn)行有效測(cè)試，測(cè)試人員用手拿著目標(biāo)模塊，基于1.2m/s速度在測(cè)試場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)，設(shè)置跟隨距離為10～200cm，測(cè)試人員向右、向左、向后、向前，小車均能夠跟隨測(cè)試人員進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。小車在行駛過(guò)程中發(fā)生意外撞擊，或是其他障礙物，也能夠立即停止（見圖5）。

對(duì)小車的跟隨距離分別設(shè)計(jì)為150cm、100cm、50cm，能夠發(fā)現(xiàn)，小車和目標(biāo)距離與設(shè)定跟隨距離并無(wú)明顯差異，因此，該系統(tǒng)計(jì)機(jī)遇跟隨模式同樣可以穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 循跡模式

未對(duì)小車基于循跡模式下形式狀態(tài)進(jìn)行有效測(cè)試，在黑色道路上鋪設(shè)磁條傳感器，將白色站點(diǎn)設(shè)置在路口位置，即RFID傳感器。開展測(cè)試活動(dòng)過(guò)程中，小車按照設(shè)定的道路行駛，并沒有偏離設(shè)計(jì)軌跡。智能小車在經(jīng)過(guò)RFID標(biāo)簽站點(diǎn)過(guò)程中，按照傳感器傳輸?shù)男畔⒅噶铋_展后續(xù)行駛動(dòng)作，標(biāo)桿傳感器能夠攜帶停止、向后、向前、向右、向左以及速度等指令信息[8]。基于循跡模式，小車運(yùn)行狀態(tài)良好，可以滿足實(shí)際工作需求。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著現(xiàn)代社會(huì)人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，促使自動(dòng)跟隨系統(tǒng)應(yīng)用范圍也在隨之持續(xù)擴(kuò)大，如機(jī)場(chǎng)乘客行李搬運(yùn)、大型商場(chǎng)智能購(gòu)物車、車間內(nèi)檢驗(yàn)人員工具搬運(yùn)等方面都存有自動(dòng)跟隨系統(tǒng)，由此可知，自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅能徹底解放人們的雙手，同時(shí)也為現(xiàn)代生活提供更多便利，在提高現(xiàn)代人生活質(zhì)量中做出重大貢獻(xiàn)。根據(jù)以上分析，將UWB技術(shù)作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)跟隨避障系統(tǒng)，必定能夠?yàn)橹悄芑S設(shè)備應(yīng)用起到一定推廣效果。通過(guò)實(shí)際測(cè)試工作，該系統(tǒng)智能小車能夠在跟隨模式、手動(dòng)模式以及循跡模式下穩(wěn)定行駛，同時(shí)精準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)動(dòng)作。測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能小車在不同搬運(yùn)場(chǎng)景中均有著良好是影響，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展方面具有重要意義。