基于自動跟隨系統(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)代人類文明發(fā)展的趨勢，通過研究設(shè)計出利用UWB定位和自動控制系統(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，對旅行者進(jìn)行實時定位，并通過融合PID跟蹤算法，控制行李箱始終和定位標(biāo)簽保持3 m以內(nèi)距離。最后對跟蹤行李箱進(jìn)行了實用測試，實驗結(jié)果表明，設(shè)計的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證。

關(guān)鍵詞： UWB; 定位技術(shù); 跟隨系統(tǒng)

文章編號： 2095-2163（2019）03-0156-03 中圖分類號： 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，國內(nèi)外學(xué)者己經(jīng)取得了多項有意義的成果[1]，目前智能跟隨成為研究領(lǐng)域的一個熱點，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]。

隨著社會交流的越來越廣泛，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)，通過研究設(shè)計出一種基于超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）無線電定位技術(shù)[3-5]和自動控制原理，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，實現(xiàn)了行李箱的精確定位和路徑跟隨。自動跟隨前行李箱可以代替人手的拉動，根據(jù)旅行者的相對位置，自動調(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，符合時代潮流。 本文對此擬展開研究論述如下。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 智能跟隨車整體結(jié)構(gòu)

智能跟隨行李箱整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括自主移動底盤及車身箱體、UWB定位系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、無刷直流電機(jī)及驅(qū)動器，供電電源等。

1.2 電路設(shè)計

設(shè)計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DC-DC開關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?6 V（驅(qū)動電機(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Com口[6]，設(shè)計中利用主控單片機(jī)的串口Com1、Com2與UWB基站進(jìn)行通信，完成對基站的設(shè)置和測量信息讀取;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)計原理

2.1 UWB定位原理

UWB也稱為脈沖無線電，采用脈沖寬度在ns級邊緣脈沖，美國聯(lián)邦通信委員會規(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，是未來占據(jù)重要研究位置的通信技術(shù)之一。

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

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

到達(dá)時間方式（TOA）測距原理是通過2個或更多已知位置的基站，根據(jù)標(biāo)簽和2個基站構(gòu)成三角形確定三者之間的相對距離，如圖3所示，在服務(wù)跟隨車的兩側(cè)分別安裝UWB基站，設(shè)距離為c，服務(wù)對象標(biāo)簽為C，分別測量與2個基站間距離為a，b，通過三角形幾何計算可得跟隨車與服務(wù)對象間距離D及偏移AB兩點中心線MN距離D'計算公式為：

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)計中采用位置式PID算法，其目的是將跟隨車與服務(wù)對象（人）的距離控制在一個固定數(shù)值范圍，設(shè)置一個0.1 ms的周期時間，在這一段時間內(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，每個周期都將P值累加到積分變量（errorsum）中，通過對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，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，完成對速度的控制。

3 程序設(shè)計

軟件設(shè)計中，研究內(nèi)容可表述為：主控中心通過計算完成對標(biāo)簽位置定位;UWB標(biāo)簽與基站間距分別測量;根據(jù)定位情況驅(qū)動輪廓電機(jī)。

程序設(shè)計流程如圖4所示。開機(jī)后對控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，搜索標(biāo)簽，如果搜索不到，延時100 ms，搜索到標(biāo)簽后測量兩基站到標(biāo)簽距離，計算出標(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)測量基站和標(biāo)簽間距離。

4 研究設(shè)計效果

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

5 結(jié)束語

樣機(jī)設(shè)計完成后，將標(biāo)簽和行李箱電源打開，跟隨車始終在標(biāo)簽0.5～3.5 m范圍內(nèi)伴隨，當(dāng)距離較大時，驅(qū)動輪廓加速運(yùn)轉(zhuǎn)，跟隨車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。通過自動跟隨行李箱的設(shè)計實現(xiàn)了標(biāo)簽與UWB基站之間精確定位，并且通過算法滿足了自動跟隨需求。

參考文獻(xiàn)

[1]Wikipedia. Industry 4.0 [EB/OL]. [2019-03-25]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Industry_4.0.

[2] 蔡磊，周亭亭，郭云鵬，等. 基于超聲波定位的智能跟隨小車 [J]. 電子測量技術(shù) 2013，36（11）：76-79.

[3]? 趙銳，鐘榜，朱祖禮，等. 室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用綜述[J]. 電子科技，2014，27（3）：154-157.

[4] 高廣亞. 超寬帶通信定位技術(shù)研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2013.

[5] 肖竹，黑永強(qiáng)，于全，等. 脈沖超寬帶定位技術(shù)綜述[J]. 中國科學(xué)（F輯：信息科學(xué)） 2009，39（10）：1112-1124.

[6]? 劉火良，楊森. STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南-基于STM32F103[M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[7] 陳探，寥丁毅. IR-UWB通信系統(tǒng)高速USB接口的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子科技，2009，22（12）：29-33.

[8] 王瀛洲. 智能車自主尋跡系統(tǒng)硬件的設(shè)計分析[J]. 儀器儀表用戶，2011，18（1）：60-62.

[9] 楊曉嵐. PID算法在智能車中的應(yīng)用[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，18（4）：187-189.

[10]TAPONECCO A D A L， MENGALI U. Ultra-wideband TOA estimation in the presence of clock frequency offset[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2013，12（4）：1606-1616.