基于UWB双向飞行算法完成精准跟随实验的研究.pdf
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1、wwwele169com|41实验研究基于 UWB 双向飞行算法完成精准跟随实验的研究刘卓娅1,周俊华1,胡树杰1,林凡舒1,张驰1,董映萍1,龙永运2(1.珠海科技学院,广东珠海,519041;2.珠海城市职业技术学院,广东珠海,519090)摘要:为了实现智能跟随搬运机器人在跟随过程中的跟随精准度要求,提出了一种基于UWB双向飞行算法的智能跟随系统,该跟随系统由stm32f103zet6主控板、蓝牙模块、驱动模块、UWB模块以及超声波模块构成,通过建立智能跟随搬运机器人上的三个UWB通信模块与人手环上的UWB模块之间的数学模型,然后运用UWB双向飞行算法得出基站与手环标签的直线距离,由此实
2、现了智能跟随搬运机器人的定位跟随,并且通过US-015超声波模块作为辅助,有效实现了智能跟随搬运机器人在复杂环境中的精准跟随。最终通过标签与基站间水平高度差的精准度实验和手环与基站间偏转角度的精准度实验表明,基于UWB双向飞行算法能够使智能跟随搬运机器人在跟随过程中实现有效的精准跟随。关键词:UWB;双向飞行算法;智能跟随;超声波避障0 引言 随着智能时代的发展,各种智能机器人产品亦蜂拥而出,诸如自动跟随行李箱、智能跟随陪护机器人、智能跟随快递车、智能跟随搬运机器人等,它们均体现出了智能跟随技术在机器人领域中有着广泛的应用。智能跟随搬运机器人能有效解决人工劳动力,为人们的日常生活提供便利。本文
3、研究设计了基于 UWB 技术的智能跟随系统。该系统采用基于 UWB 的双向飞行算法,能有效提高智能跟随精准度,同时考虑到现实应用场景中,跟随机器人执行定位跟随功能时会遇到各种障碍物,因此本系统设有基于超声波传感器的避障功能模块。1 总体设计 1.1 系统流程设计本系统总体分为两部分,第一部分为是智能手环,第二部分是小跟搬主体。其中智能手环的主要功能为接收基站发送的信号并返回信号给基站,而小跟搬的主要功能分为两个,一个是向智能手环发收信号并进行计算处理,实现跟随的功能,另一个是避障功能,当小跟搬在跟随的过程中判断到出现障碍物的情况,停止跟随进行避障操作,当避障完成后重新定位继续跟随。系统总体流程
4、如图 1 所示,当系统初始化后,智能手环通过蓝牙模块与小跟搬进行同步后,首先小跟搬的基站发出信号给手环上的标签,通过预设跟随距离计算出跟随手环标签预基站之间的水平差,然后进行跟随模式。当小跟搬上的超声波模块检测到障碍物后,断开跟随模式进入避障模式,成功避障后,计算与标签的偏移角后进行修正,之后继续进入跟随模式。1.2 硬件结构为实现小跟搬达到精准跟随的目的,该方案采用了一个主控元件,四个超宽带模块,一个电机驱动模块,四个超声波模块和一个蓝牙模块。硬件总框图设计如图 2 所示。1.2.1 主控元件该系统采用的 MCU 单片机为 STM32F103ZET6。相较于STC 单片机有着更高的实用性,S
5、TM32 具有最高 72MHz 工作频率,串行单线调试(SWD)和 JTAG 接口可用于仿真,可以进行复杂的计算和精准的控制,2 个看门狗定时器防止程序跑飞,单片机自动复位。甚至可以用 IIC 通讯,而 STC 系列目前只能进行串口通讯,其他通讯方式不能精准稳定进行。1.2.2 UWB 超宽带小跟搬采用的 UWB 超声波模块的主控芯片的型号为图 1系统流程图图 2硬件总框图42|电子制作2023 年 7 月实验研究STM32F105,内置电路中包含 DW1000、电源、拨码开关等模块。其中,DW1000 是 UWB 的一个信号收发器。该模块具有许多优点,如穿透力强、安全性高、系统复杂度低、定位
6、精度高等。此外,UWB 通信模块通过拨码开关的变化可以同时作为基站和标签。1.2.3 电机驱动模块小跟搬选用的电机驱动模块的型号为 L298N,是专用的驱动集成电路。由于 L298N 可通过主控芯片的 I/O 输入对电机的控制电平进行直接设定,因此能实现电机的正反转的变化。程序化控制简便、硬件操作易上手、稳定性优良,满足直流电机的大电流驱动条件,符合小跟搬运动的条件要求。1.2.4 超声波模块小跟搬选用的超声波模块的型号为 US-015,US-015 可实现 0.02m-4m 的非接触测距功能,探测精度为0.1cm+1%,分辨率高于 1mm,可达 0.5mm。与普通的超声波模块(HC-SR04
7、)相比,其具有高分辨率、重复测量一致性高、工作性能稳定等特点。1.2.5 蓝牙模块系统应用的蓝牙模块为 jdy-30 是依据蓝牙 3.0 协议标准,工作频段为 2.4GHz 范围的片上系统,主要适用于蓝牙高速数据传输。数据传输比 BLE 蓝牙快、可达到 8K 每秒以上的速率,并且功率消耗低。利用这个优势可将蓝牙与MCU 进行串口通讯来实现标签,基站的时钟同步。2 智能跟随 2.1 跟随原理本次研究设计的小跟搬自动跟随系统是通过 UWB定位技术来实现的。其共使用到4个UWB单片机模块,小跟搬上装有 3 个 UWB 基站(A1、A2、A3),外加一个标签(B0)装备在手环中,模块示意图如图 3 所
8、示。其基本的工作原理为:由小跟搬上固定位置的三个基站模块(A1、A2、A3)发射信号,位于手环上的标签(B0)接收到此信号后返回信息,用算术平均滤波法滤除出现的噪声和不可靠信号,并利用双向飞行时间法计算得到标签与三个基站之间的几何信息,完成距离数据的初步收集。可根据三个基站与标签 B0 的直线距离,利用勾股定理可得到手环和基站的水平高度差 H(单位:m)。计算出水平差后,可根据主基站A1与手环的直线距离x1(单位:m)实现小跟搬自动跟随功能,而 A2、A3 辅助基站与手环的直线距离 x2、x3(单位:m)则作为小跟搬的转向判定,小跟搬主芯片通过PID算法进行计算,调节控制电机,最终实现小跟搬的
9、跟随和控制转向功能。跟随系统软件设计流程图如图 4 所示。图 4跟随系统软件设计流程图 2.2 UWB 定位算法2.2.1 测距算法UWB 技术的测距原理大致有两种,一种是飞行时间测距法,另一种是双向飞行时间法。飞行时间测距法:主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下,基于 TOF 测距方法是随距离呈线性关系。双向飞行时间法:设备 A 首先向设备 B 发出一个数据包,并记录下发包时刻 Ta1,设备 B 收到数据包后,记下收包时刻 Tb1。之后设备 B 等待 Treply 时刻,在 Tb2(Tb2=Tb1+Treply)时刻,向设
10、备 A 发送一个数据包,设备 A 收到数据包后记下时刻值 Ta2。飞行时间测距法虽然计算简单,但是测距精度有所欠缺,并且设备约束比较严格,需要设备之间时钟必须同步,所以采取双向飞行时间法。首先将固定在小跟搬上的三个基站通过有线连接将时钟同步,在手环上的标签 B0 利用蓝牙模块实现时钟同步,减小计算式的误差值。当小跟搬开机,并与智能手环匹配后,首先将各基站与标签时钟同步,之后 A1、A2、A3 基站在 Ta1 时刻发送信号,标签 BO 分别在 Tt1、Tt2、Tt3 时刻接收到,然后等待Treply(单位:s)时间后,标签 T0 再分别发送信号给基站,收到的时间为 Tb1、Tb2、Tb3。由此,
11、根据公式(1)(2)(3)就可分别计算出各个基站与标签之间的直线距离 S1、S2、S3(单位:m)。1*(11/2SCTbTaTreply=)式(1)22*/2(1)SCTbTaTreply=式(2)3*b3a1)/2 (SCTTTreply=式(3)(C为光速,C 约为 3108m/s)图 3模块示意图wwwele169com|43实验研究2.2.2 定位算法当小跟搬成功将基站与标签之间的直线距离测算出来后,首先进行身高估算阶段。小跟搬通过 PID 算法调节小跟搬方向,使得 A2、A3 两个辅助基站与手环标签的直线距离相等,如图 5 定位算法所示。距离调节完毕后,因为已知小跟搬长度为 I(单
12、位:m),宽度为 W(单位:m),预设的跟随距离为 L(单位:m),根据勾股定理可分别计算出各基站与标签的水平高度差 h(单位:m),最后通过算数平均法计算得到小跟搬与手环的水平高度差 H(单位:m)。图 5定位算法2211()hSIL=+式(4)22()2wXL=+式(5)2222hSX=式(6)2233hSX=式(7)1233hhhH+=式(8)公式(4)为已知小跟搬长度 I(单位:m)和预设跟随距离 L(单位:m),根据主基站 A1 与手环标签的直线距离 S1(单位:m),计算得出 A1 基站预估的基站与标签的水平高度差 h1(单位:m);公式(5)为已知小跟搬宽度 W(单位:m)和预设
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