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.