基于UWB技術(shù)的智能跟隨講解機(jī)器人

　　　　　　　榮鏹

(河南科技大學(xué)　河南　洛陽(yáng)　471023)

隨著機(jī)器人技術(shù)近年來(lái)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域開始將機(jī)器人投入使用，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療到服務(wù)業(yè)，各個(gè)領(lǐng)域都在發(fā)生著日新月異的變化，也給人們的生活方式帶來(lái)了巨大改變。

一、背景

據(jù)新聞報(bào)道，近年來(lái)，一些博物館、美術(shù)館開始引進(jìn)智能講解機(jī)器人，來(lái)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(lán)白拖地漢服、身高1.4米的“藍(lán)藍(lán)”機(jī)器人在向過往游客介紹展品?！八{(lán)藍(lán)”是西漢南越王博物館推出的第一代智能服務(wù)型機(jī)器人，可以沿著展廳文物參觀路線不斷移動(dòng)，并且調(diào)整身體的姿勢(shì)和臉的朝向與觀眾互動(dòng)，并支持多種語(yǔ)言的講解。此外，以新松機(jī)器人為代表的一系列機(jī)器人公司也不斷推出了自家的講解機(jī)器人產(chǎn)品，市場(chǎng)上該類產(chǎn)品的種類的數(shù)量不斷豐富。由此可見，在博物館、展覽館中使用機(jī)器人代替人工講解已成為一種趨勢(shì)和潮流。

二、智能跟隨機(jī)器人的設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用

(一)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.以跟隨方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的提前規(guī)劃路徑方法，減少展前準(zhǔn)備工作，靈活性、自由性更強(qiáng)，提升游客觀展體驗(yàn)。

2.采用超寬頻帶(UWB)無(wú)線傳輸技術(shù)建立目標(biāo)與機(jī)器人間的通信，基于時(shí)間到達(dá)法(TOA)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的精確定位。

3.使用二自由度PID跟隨控制算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)連續(xù)穩(wěn)定的跟隨。

4.通過RFID標(biāo)簽和射頻技術(shù)，能夠以較低成本實(shí)現(xiàn)對(duì)展品的識(shí)別和定位。

(二)超寬帶(UWB)定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場(chǎng)士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。

超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度，十分滿足本次設(shè)計(jì)所需。

(三)基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間法(TOA)的應(yīng)用

基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間法是通過計(jì)算發(fā)射信號(hào)與參考節(jié)點(diǎn)處接收信號(hào)的時(shí)間信息來(lái)得出節(jié)點(diǎn)間的距離信息。在該測(cè)距定位方法中，如果可以使子節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格公用同一時(shí)鐘，則很容易可以由參考節(jié)點(diǎn)處的時(shí)間檢測(cè)從而得出信號(hào)傳播時(shí)間，從而得到距離信息。對(duì)單個(gè)路徑環(huán)境中AWGN(加性高斯白噪聲)下的信道環(huán)境，TOA非常適合于帶寬極寬的UWB定位技術(shù)。在AWGN噪聲下，估計(jì)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(hào)帶寬，可以下式表示。其中，S(f)表示發(fā)射信號(hào)的功率譜密度。

UWB無(wú)線信號(hào)應(yīng)用基于接收信號(hào)的時(shí)間技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常精確的定位。根據(jù)FCC的規(guī)定，室內(nèi)的UWB通信系統(tǒng)實(shí)際使用頻譜范圍在3.1GHz-10.6GHz之間，如果脈沖超寬帶信號(hào)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(huì)達(dá)到厘米級(jí)。由于基于時(shí)間的測(cè)距技術(shù)具有以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用的定位方式即為精確的TOA測(cè)距定位技術(shù)。

(四)離線語(yǔ)音系統(tǒng)應(yīng)用

離線語(yǔ)音系統(tǒng)是指將特定的語(yǔ)音信息儲(chǔ)存到機(jī)器人內(nèi)部存儲(chǔ)空間，當(dāng)外部傳感器接收到特定信息，主控制器根據(jù)信息內(nèi)容將其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音信息播放出來(lái)。離線語(yǔ)音系統(tǒng)無(wú)法與游客實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互，但由于無(wú)需接入互聯(lián)網(wǎng)，在任何情況下都可以使用，而且反饋的語(yǔ)音信息可自由定義，可根據(jù)傳感器設(shè)置不同的觸發(fā)條件，簡(jiǎn)單易用，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

講解機(jī)器人一般需要活動(dòng)的范圍較大，且一般應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，并不能保證其時(shí)刻接入互聯(lián)網(wǎng)。另一方面，展館內(nèi)人流數(shù)量較大，環(huán)境嘈雜，不利于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互。因此，本設(shè)計(jì)選用離線語(yǔ)音系統(tǒng)作為講解機(jī)器人的講解方案，機(jī)器人只需對(duì)展品進(jìn)行范圍性定位，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入某展品范圍，則觸發(fā)相應(yīng)展品的語(yǔ)音控制信號(hào)，講解機(jī)器人通過講解將展品介紹信息傳遞給游客。

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先將UWB模塊的標(biāo)簽分別安裝在機(jī)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(jīng)一定的算法處理后，能夠計(jì)算出輪子與跟隨目標(biāo)之間的角度信息與距離信息，這些信息再由主控進(jìn)行二自由度PID算法后，實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速、穩(wěn)定、可靠跟隨。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如下圖所示

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

(一)UWB定位模塊的選取

為了實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的發(fā)送與接收，定位模塊的選取是十分重要的。綜合考慮,本次設(shè)計(jì)選用DecaWAVE公司推出的DW1000芯片。下面對(duì)DW1000進(jìn)行介紹。

●DW1000允許在室內(nèi)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS)中，使對(duì)象位置精確到10cm，即使物體移動(dòng)速率高達(dá)5m/s。

●允許高數(shù)據(jù)率通信，能夠達(dá)到6.8mb/s

●外加接受裝置后接收范圍能夠達(dá)到290m

●在多徑干擾下依舊可以具有可靠通信

●低功耗

(二)信號(hào)處理芯片的選取

DW1000之間進(jìn)行通訊需要占據(jù)大量的帶寬和運(yùn)算負(fù)載，若只使用一個(gè)核心處理器來(lái)處理各個(gè)DW1000間的原始數(shù)據(jù)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作效率。因此本設(shè)計(jì)將每個(gè)DW1000原始數(shù)據(jù)首先傳入一個(gè)子處理器，子處理器使用TOA算法將原始數(shù)據(jù)換算成距離，再與連接主處理器的UWB標(biāo)簽進(jìn)行通信，由標(biāo)簽將距離信息傳輸至主處理器。本次設(shè)計(jì)我們選擇的是STM32F103RDT6作為子處理器，它具有32位數(shù)據(jù)處理的能力，64KB的RAM,384KB的FLASH，處理性能優(yōu)越。

(三)電機(jī)控制電路

由于機(jī)器人的笨重，需要采用大功率電機(jī)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊要求很高，一般電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)法勝任，因此我們選擇了L298N模塊來(lái)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。本文設(shè)計(jì)的跟隨機(jī)器人中采用的是帶速度反饋的直流電機(jī)。

(四)穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

由于給電機(jī)供電的DC鋰電池使用時(shí)電壓下降幅度很大，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，另外雜波脈沖也會(huì)對(duì)主控芯片產(chǎn)生干擾，因此設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路是極其必要的。針對(duì)本設(shè)計(jì)，我們選擇以LM2596為穩(wěn)壓芯片搭建穩(wěn)壓電路。

LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。

(五)射頻讀寫電路

一個(gè)典型的RFID 系統(tǒng)工作的流程大致為讀寫兩個(gè)部分：由讀卡器讀取標(biāo)簽和向標(biāo)簽中寫信息，其中讀寫的信息最終都發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)中。讀取標(biāo)簽信息時(shí)，標(biāo)簽進(jìn)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(jī)發(fā)出讀取標(biāo)簽指令信號(hào)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(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令給標(biāo)簽；標(biāo)簽根據(jù)接收到的讀數(shù)據(jù)命令信號(hào)將存儲(chǔ)單元中指定的數(shù)據(jù)，以負(fù)載調(diào)制或者反向散射調(diào)制的方式，通過天線發(fā)送到讀卡器；讀卡器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)。向標(biāo)簽中寫信息時(shí)，過程類似。上位機(jī)將程序下載到微控制器，控制讀卡器射頻芯片發(fā)送向標(biāo)簽寫數(shù)據(jù)的指令；得到響應(yīng)之后，以一定的方式將數(shù)據(jù)寫到所設(shè)計(jì)標(biāo)簽的相應(yīng)存儲(chǔ)單元。

本設(shè)計(jì)中，首先向RFID標(biāo)簽寫入展品編號(hào)等識(shí)別信息，將其固定到相應(yīng)展品上，作為展品的識(shí)別標(biāo)簽；當(dāng)RFID讀卡器進(jìn)入展品范圍，將通過電磁波將相應(yīng)標(biāo)簽激活，進(jìn)而讀取到展品身份信息；最后經(jīng)由讀卡器與主控制器間的通信網(wǎng)絡(luò)，將讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器處理。

(六)音頻播放電路

本設(shè)計(jì)采用集成音頻儲(chǔ)存、解碼、功放、輸出一體化集成音頻模塊，該模塊是一個(gè)提供串口控制的MP3模塊，集成了MP3、WAV的硬解碼，同時(shí)軟件支持USB/TF驅(qū)動(dòng)，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)。通過簡(jiǎn)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(chǔ)音頻文件。該模塊通過串口與主控制器進(jìn)行通信。當(dāng)主控制器接收到射頻模塊讀取到的信息，則根據(jù)讀取內(nèi)容向與音頻模塊連接的串口發(fā)送播放控制指令。

四、系統(tǒng)的性能分析

評(píng)價(jià)跟隨機(jī)器人跟隨效果的好壞，可以從跟隨運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、與跟隨目標(biāo)的偏差三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行考慮。

響應(yīng)速度：機(jī)器人的控制指令由TOA算法測(cè)得距離值和兩側(cè)距離差決定，通過定時(shí)器中斷以一定頻率發(fā)送控指令，發(fā)送頻率過低會(huì)降低響應(yīng)速度，比如當(dāng)游客開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人會(huì)延遲一會(huì)，然后執(zhí)行跟隨動(dòng)作。若控制指令發(fā)送頻率過高，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)作過于靈敏，抗擾動(dòng)能力較差。

運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性又可以理解為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)路徑的平滑性，該性能指標(biāo)一方面受控制指令發(fā)送頻率影響，另一方面與PID控制參數(shù)的設(shè)置有關(guān)，比如當(dāng)某PID參數(shù)的階躍響應(yīng)在目標(biāo)值附近產(chǎn)生振蕩，則機(jī)器人的跟隨運(yùn)動(dòng)路徑為迂回曲線，而不是直線或平滑曲線。

跟隨目標(biāo)偏差：跟隨偏差是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)與跟隨目標(biāo)總是存在橫向距離差，導(dǎo)致該偏差的原因可能是基站時(shí)鐘信號(hào)沒有同步，另一個(gè)可能原因是PID參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致階躍響應(yīng)存在靜態(tài)誤差。

此外，上述性能指標(biāo)也會(huì)受到外界因素的干擾，比如UWB信號(hào)受到其相近頻率信號(hào)干擾、機(jī)器人與跟隨目標(biāo)之間間隔物體導(dǎo)致對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懙?，?dāng)機(jī)器人與跟隨目標(biāo)的固定跟隨距離設(shè)定過大，則更容易受到信號(hào)阻擋；距離過小則有可能使機(jī)器人發(fā)生碰撞。

五、設(shè)計(jì)總結(jié)

講解機(jī)器人逐漸取代人工講解已成為一種趨勢(shì)，并逐漸向多樣化、智能化的方向發(fā)展，越來(lái)越多的博物館、展覽館將講解機(jī)器人投入到實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用，機(jī)器人企業(yè)也推出了越來(lái)越多講解機(jī)器人的商業(yè)化產(chǎn)品，但對(duì)于該類機(jī)器人的改進(jìn)和研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了跟隨型講解機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，將高精度的目標(biāo)跟隨技術(shù)融入講解機(jī)器人?；赨WB技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻通信，對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行相對(duì)定位。UWB技術(shù)以其系統(tǒng)容量大，高速的數(shù)據(jù)傳輸，分辨率強(qiáng)，隱蔽性強(qiáng)，定位精確，抗干擾能力強(qiáng)，低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在基于無(wú)線通信的室內(nèi)定位技術(shù)中較為出色；根據(jù)機(jī)器人的相對(duì)位置信息，使用二自由度PID算法來(lái)控制電機(jī)，使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的速度跟蹤響應(yīng)和負(fù)載調(diào)節(jié)響應(yīng)；使用射頻技術(shù)和RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)低成本的物體識(shí)別定位方案；為了使機(jī)器人適應(yīng)不同場(chǎng)景下的解說(shuō)任務(wù)，采用科大訊飛的語(yǔ)音合成技術(shù)生成解說(shuō)內(nèi)容，可隨時(shí)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行修改完善，提高布展效率。電路設(shè)計(jì)方面，為了得到更好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，我們采用降壓型電源管理單片集成電路LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流；為了解決底盤及電機(jī)負(fù)載較大的問題，我們選擇了L298N模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)的設(shè)計(jì)；為了實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的發(fā)送與接收，我們選用DecaWAVE公司推出的DW1000芯片，用于增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皩?shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確定位。

我們團(tuán)隊(duì)研制的這套智能跟隨系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的目標(biāo)跟隨，該方案不僅可以用于解說(shuō)機(jī)器人，只需稍加改裝同樣可以用于其它設(shè)備的智能控制，例如平衡車，智能輪椅，智能代步車等，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。在不久的將來(lái)，隨著智能技術(shù)的不斷改進(jìn)，這套智能跟隨系統(tǒng)將會(huì)有更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，我們也將對(duì)所設(shè)計(jì)的智能跟隨講解機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步的完善。