基于自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的智能行李箱

張豐 李順霖 陳仁 謝印忠

摘 要：智能化生活是現(xiàn)代人類(lèi)文明發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)研究設(shè)計(jì)出利用UWB定位和自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能跟蹤行李箱，介紹了智能行李箱的總體結(jié)構(gòu)，通過(guò)在行李箱兩側(cè)分別設(shè)置UWB基站，旅行者身上攜帶定位標(biāo)簽，對(duì)旅行者進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并通過(guò)融合PID跟蹤算法，控制行李箱始終和定位標(biāo)簽保持3 m以?xún)?nèi)距離。最后對(duì)跟蹤行李箱進(jìn)行了實(shí)用測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)的定位精度小于5 cm，且重復(fù)精度小于1 cm;所提出的混合路徑跟蹤算法具有較快的響應(yīng)速度，跟蹤精度小于5 cm，自動(dòng)跟蹤行李箱系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，整體方案可行性和有效性得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： UWB; 定位技術(shù); 跟隨系統(tǒng)

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0156-03 中圖分類(lèi)號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

關(guān)于確定性跟隨系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)取得了多項(xiàng)有意義的成果[1]，目前智能跟隨成為研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)、生活等各方面有廣泛的應(yīng)用需求[2]。

隨著社會(huì)交流的越來(lái)越廣泛，外出旅行成為人們工作、生活的重要組成部分，然而所帶行李成為旅行的負(fù)擔(dān)，通過(guò)研究設(shè)計(jì)出一種基于超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）無(wú)線電定位技術(shù)[3-5]和自動(dòng)控制原理，利用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)集中控制的基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了行李箱的精確定位和路徑跟隨。自動(dòng)跟隨前行李箱可以代替人手的拉動(dòng)，根據(jù)旅行者的相對(duì)位置，自動(dòng)調(diào)整當(dāng)前行李箱速度和位置，始終伴隨其后，使旅行變得輕松、愉快，符合時(shí)代潮流。 本文對(duì)此擬展開(kāi)研究論述如下。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 智能跟隨車(chē)整體結(jié)構(gòu)

智能跟隨行李箱整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括自主移動(dòng)底盤(pán)及車(chē)身箱體、UWB定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)刷直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，供電電源等。

1.2 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用嵌入式單片機(jī)STM32F103ZET6為控制中心，采用42 V高容量鋰電池組供電，通過(guò)DC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?6 V（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）、3.3 V（單片機(jī)和定位系統(tǒng)供電）。主控單片機(jī)有5個(gè)Com口[6]，設(shè)計(jì)中利用主控單片機(jī)的串口Com1、Com2與UWB基站進(jìn)行通信，完成對(duì)基站的設(shè)置和測(cè)量信息讀取;利用PC6和PC7引腳分別輸出PWM波控制輪廓電機(jī)。智能行李箱硬件電路如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 UWB定位原理

UWB也稱(chēng)為脈沖無(wú)線電，采用脈沖寬度在ns級(jí)邊緣脈沖，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)范可免授權(quán)適用3.1～10.6 GHz的工作頻帶，不占用、不干擾現(xiàn)有的帶寬資源，是未來(lái)占據(jù)重要研究位置的通信技術(shù)之一。

UWB（測(cè)距）定位系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成，分別是：電池供電的UWB標(biāo)簽（UWB tag）;UWB基站（Base Station）包含信號(hào)發(fā)射源和信號(hào)回收傳感器;信號(hào)處理軟、硬件平臺(tái)，多組基站對(duì)同一標(biāo)簽測(cè)距后，上傳到控制中心確定位置。

設(shè)計(jì)中使用Decawave公司的DW1000 無(wú)線收發(fā)芯片作為信號(hào)發(fā)射源和回收傳感器集成模塊，模塊內(nèi)置STM32微處理器，控制中心可以通過(guò)串口命令進(jìn)行UWB 參數(shù)設(shè)置、信號(hào)發(fā)送和接收，并根據(jù)到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival， TOA）方式測(cè)出與標(biāo)簽距離[7]。

到達(dá)時(shí)間方式（TOA）測(cè)距原理是通過(guò)2個(gè)或更多已知位置的基站，根據(jù)標(biāo)簽和2個(gè)基站構(gòu)成三角形確定三者之間的相對(duì)距離，如圖3所示，在服務(wù)跟隨車(chē)的兩側(cè)分別安裝UWB基站，設(shè)距離為c，服務(wù)對(duì)象標(biāo)簽為C，分別測(cè)量與2個(gè)基站間距離為a，b，通過(guò)三角形幾何計(jì)算可得跟隨車(chē)與服務(wù)對(duì)象間距離D及偏移AB兩點(diǎn)中心線MN距離D'計(jì)算公式為：

2.2 智能跟隨控制算法

PID（Proportion Integral Differential）控制是控制系統(tǒng)中比較成熟，而且也是應(yīng)用上最為廣泛的一種控制器[8-9]，設(shè)計(jì)中采用位置式PID算法，其目的是將跟隨車(chē)與服務(wù)對(duì)象（人）的距離控制在一個(gè)固定數(shù)值范圍，設(shè)置一個(gè)0.1 ms的周期時(shí)間，在這一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)算求出PID變化。其中，P值為當(dāng)前數(shù)值減設(shè)定值，得到了偏差（error），乘以積分系數(shù)Ki就得到了P值，每個(gè)周期都將P值累加到積分變量（errorsum）中，通過(guò)對(duì)errorsum限幅得到了I D值為當(dāng)前值減去上次值，因此，以 T為采樣周期，K作為采樣序號(hào)，用矩形法數(shù)值一階后向差分可做如下近似變換：

將PID運(yùn)算后對(duì)應(yīng)的PWM占空比輸出給電機(jī)就使每一刻的改變都映射至電機(jī)的轉(zhuǎn)速上，完成對(duì)速度的控制。

3 程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中，研究?jī)?nèi)容可表述為：主控中心通過(guò)計(jì)算完成對(duì)標(biāo)簽位置定位;UWB標(biāo)簽與基站間距分別測(cè)量;根據(jù)定位情況驅(qū)動(dòng)輪廓電機(jī)。

程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。開(kāi)機(jī)后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，搜索標(biāo)簽，如果搜索不到，延時(shí)100 ms，搜索到標(biāo)簽后測(cè)量?jī)苫镜綐?biāo)簽距離，計(jì)算出標(biāo)簽與箱體垂直距離和偏移距離，調(diào)整PWM波占空比，等待100 ms，繼續(xù)循環(huán)測(cè)量基站和標(biāo)簽間距離。

4 研究設(shè)計(jì)效果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，樣機(jī)內(nèi)部電路與樣機(jī)外觀如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，將標(biāo)簽和行李箱電源打開(kāi)，跟隨車(chē)始終在標(biāo)簽0.5～3.5 m范圍內(nèi)伴隨，當(dāng)距離較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪廓加速運(yùn)轉(zhuǎn)，跟隨車(chē)能靈活跟隨并快速達(dá)到穩(wěn)定，最大跟隨速度可達(dá)3 m/s。通過(guò)自動(dòng)跟隨行李箱的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽與UWB基站之間精確定位，并且通過(guò)算法滿(mǎn)足了自動(dòng)跟隨需求。

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