基于UWB的無人車自動跟隨實驗研究

曾慶喜，歐邦俊，修巧艷，韓佳欣，任建利

（南京航空航天大學(xué)a.自動化學(xué)院；b.教師發(fā)展與教學(xué)評估中心／高等教育研究所，南京 211106）

0 引言

隨著各行各業(yè)對自動化產(chǎn)品的需求的不斷提升，自動跟隨機器人逐步進(jìn)入大眾的視野，且應(yīng)用愈來愈廣泛。目前盡管已有多種多樣的定位跟隨技術(shù)，但都有著明顯的缺陷。GPS易受建筑物的影響且在室內(nèi)無法使用，在近距離跟隨定位方面仍然存在定位精度差的問題［1］；藍(lán)牙技術(shù)作用距離有限，通信能力差，整合到其他系統(tǒng)難度較大［2］；超聲波技術(shù)會出現(xiàn)在傳輸過程中其信號不斷衰減的現(xiàn)象，將導(dǎo)致無法鎖定目標(biāo)從而產(chǎn)生偏離而失去定位［3-4］，紅外技術(shù)受墻體或障礙物阻隔時信號強度低、實用性差［5］；視覺圖像技術(shù)的計算量往往過于龐大且對于具有相似特征的圖像往往難以準(zhǔn)確判斷［6］。而超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)占用從Hz到GHz 的較寬頻譜范圍，與上述定位跟隨技術(shù)相比有著更強的抗外界干擾能力，還保持著功耗低、成本低、精度高的優(yōu)勢，極具開發(fā)價值［7-9］。

本文設(shè)計了一種基于UWB 的無人車自動跟隨系統(tǒng)并進(jìn)行實驗研究。主要采用基于雙向飛行時間法進(jìn)行測距，使用到達(dá)時間法和位置式PID分別實現(xiàn)UWB定位和無人車的自動跟隨。

1 實驗原理

1.1 測距原理

實驗選取UWB Mini 3 s Plus作為傳感器，該模塊采用STM32F103T8U6 單片機為主控芯片。外圍電路包括：DW1000 芯片、電源模塊、LED指示模塊等，既可以作為基站，也可以作為標(biāo)簽。該模塊使用雙向飛行時間原理進(jìn)行測距［10-11］，用發(fā)送源與接收源在各自的時間軸上發(fā)出信號并接收對方信號所經(jīng)歷的時間來測量距離。

如圖1 所示，設(shè)發(fā)送機在自己的時間軸上發(fā)送信號的時間為t1，接收到信號的時間為；接收機在自己的時間軸上收到信號的時間為t2，回送信號的時間為；傳播速度為c，則信號在兩機之間傳播一次的時間T為

圖1 雙向飛行時間原理

則可以得到所測得距離為

1.2 定位原理

關(guān)于UWB的定位方法，目前常用的有到達(dá)時間法（Time of Arrive，TOA）、到達(dá)角度法（Angle of Arrive，AOA）、到達(dá)時間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）3 種定位方法［12-13］。AOA 算法往往需要布設(shè)多個傳感器保證精度，成本較高；TOA 與TDOA 兩種方法的原理類似，相較AOA 操作起來也更容易，考慮到算法實現(xiàn)的復(fù)雜程度問題，本文選擇TOA 作為UWB的定位方法。

在無人車上布置3 個基站，基站之間的距離已知，且在同一水平面上。如圖2 所示，基站0、基站1、基站2 的坐標(biāo)分別為（0，y0，0）、(x1，0，0)和(x2，0，0)，標(biāo)簽P的坐標(biāo)為（x，y，z），投影Q為標(biāo)簽P的在基站構(gòu)成的坐標(biāo)系中的投影，θ 為投影Q與原點的連線與Y軸正方向的夾角。

圖2 基站布置圖

由于無人車跟隨對高度信息沒有具體要求，因此跟隨目標(biāo)的位置只需得知標(biāo)簽P在基站構(gòu)成坐標(biāo)系中的X和Y軸方向的坐標(biāo)即可，通過三邊定位算法［14-15］可得：

式中，d0、d1、d2分別為標(biāo)簽P到基站0、基站1 和基站2 的距離。由標(biāo)簽坐標(biāo)可以得到投影Q與原點的連線與Y軸正方向的夾角

1.3 跟隨原理

本實驗不僅要做到無人車能夠跟隨目標(biāo)，且能夠按照距離目標(biāo)的遠(yuǎn)近對車速進(jìn)行調(diào)控。因此為達(dá)到較為平穩(wěn)的控制效果，采用位置式PID控制無人車，并采用PWM波驅(qū)動電動機，如圖3 所示。

圖3 無人車跟隨原理

根據(jù)投影Q與原點的距離d以及與y軸正方向的夾角θ，之后即可確定目標(biāo)與無人車的相對位置。由θ控制無人車的轉(zhuǎn)向舵機，d與設(shè)定距離的差值作為位置PID式的輸入值，輸出的電壓控制驅(qū)動電動機實現(xiàn)特定距離的穩(wěn)定跟隨。

2 實驗方案設(shè)計與實驗平臺搭建

2.1 實驗總體設(shè)計

考慮到無人車跟隨過程中的安全問題，本文設(shè)定1.5 m為跟隨距離。本實驗的大致流程為：首先在無人車上布置3 個UWB 基站，跟隨目標(biāo)攜帶UWB 標(biāo)簽，UWB基站對UWB標(biāo)簽進(jìn)行測距，并將所得測距信息發(fā)給車端的單片機控制模塊，單片機對測距信息進(jìn)行處理后解算出標(biāo)簽的相對位置，通過相對位置可以解算出標(biāo)簽和無人車之間的距離與角度并給電動機發(fā)送相應(yīng)的控制命令，驅(qū)動無人車運動從而實現(xiàn)對目標(biāo)的跟隨，跟隨過程中使用位置式PID 對跟隨距離進(jìn)行控制，并調(diào)節(jié)不同PID 參數(shù)直至無人車能夠平穩(wěn)的跟隨目標(biāo)進(jìn)行運動。實驗總體流程如圖4 所示。

圖4 實驗總體方案

2.2 實驗平臺搭建

本實驗裝置主要由無人車、UWB定位基站與定位標(biāo)簽、單片機等組成，無人車實物圖如圖5 所示。

圖5 無人車實物圖

該無人車為阿克曼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，長1.4 m，寬0.8 m，采用DHLG-03X舵機來控制轉(zhuǎn)向。舵機是由直流電動機、減速齒輪組和控制電路等組成的一套自動控制系統(tǒng)，通過發(fā)送信號，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度［16］。舵機的轉(zhuǎn)動范圍為0～360°，驅(qū)動電源為48 V，最大扭矩為98 N·m，與其配套的控制器由3.3～5 V的電源供電，可接收頻率為50 Hz，脈寬為0.5～2.5 ms的PWM波來實現(xiàn)0～360°的轉(zhuǎn)向。

舵機與轉(zhuǎn)向輪相結(jié)合后測試得：當(dāng)脈寬為1.82 ms時，轉(zhuǎn)向輪回正；當(dāng)脈寬為1.94 ms時，轉(zhuǎn)向輪順時針轉(zhuǎn)至最大值約為30°；當(dāng)脈寬為1.70 ms 時，轉(zhuǎn)向輪逆時針轉(zhuǎn)至最大值約為30°。

無人車所使用的驅(qū)動電動機為阿克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)車輛自帶的電動機，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該電動機為直流電壓驅(qū)動，驅(qū)動電動機的控制器可接收0～4.25 V 左右的電壓，并依據(jù)電壓的大小對車輪調(diào)速；當(dāng)接收電壓為0 V時，車輪不轉(zhuǎn)動且具有自剎車功能，因此可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機接收電壓大小完成無人車的加速、減速與自剎車功能。設(shè)計一個RC 濾波電路并與PWM 波組合實現(xiàn)DAC功能完成模擬電壓的輸出，增強單片機IO 口的驅(qū)動能力，所設(shè)計的二階無源濾波電路如圖6 所示。

圖6 濾波電路圖

濾波電路圖中加入了運算放大器，其并不起放大作用僅起到跟隨作用，同時也起到了輸入電阻無窮大，輸出電阻為0 的功效可以避免負(fù)載對濾波電路的影響。

3 實驗測試及結(jié)果

實驗場地設(shè)定在室外區(qū)域，為了使無人車能夠保持1.5 m的距離平穩(wěn)的跟隨目標(biāo)，將實際測定距離與跟隨距離的差值作為位置PID 的輸入信號，實地測試如圖7 所示。

圖7 實地測試圖

將UWB測得的無人車和跟隨目標(biāo)間的距離作為評判標(biāo)準(zhǔn)，選取不同的PID參數(shù)進(jìn)行實驗測試，實驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 調(diào)節(jié)PID參數(shù)時無人車跟隨距離圖

經(jīng)實驗當(dāng)比例系數(shù)kp取1.2，積分系數(shù)ki取0.03，微分系數(shù)kd取0.015 時，無人車可以在跟隨距離1.5 m所屬的較小范圍內(nèi)實現(xiàn)比較平穩(wěn)的跟隨。

跟隨過程可分為直線部分與曲線部分，選取兩組不同類型的跟隨路線進(jìn)行測試，即對直線與帶有轉(zhuǎn)向的路線。載波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)能夠達(dá)到cm級的定位精度，因此使用RTK 作為無人車真實軌跡。使用兩臺同采樣頻率的RTK設(shè)備，其中一臺由無人車攜帶，另一臺由目標(biāo)攜帶。目標(biāo)沿固定路線行走，無人車通過UWB 跟隨目標(biāo)，實驗結(jié)果如圖9 所示。

圖9 跟隨過程實驗圖

圖9（a）所示為直線跟隨效果圖，兩次路線圖基本重合，表明直線情況下跟隨效果良好；圖9（b）所示為帶有轉(zhuǎn)彎情況下的跟隨效果圖，圖中兩曲線形狀大致相同然而部分彎道處存在曲線不重合的問題，表明無人車在拐彎情況下的跟隨效果不夠理想，但未出現(xiàn)較大的跟丟或者偏離較大的情況，因此基本上完成了自動跟隨的任務(wù)。

4 結(jié)語

本文對基于UWB的無人車自動跟隨進(jìn)行實驗研究，采用基于雙向飛行時間的測距方法，并用UWB 實現(xiàn)定位和位置式PID進(jìn)行無人車的控制方法進(jìn)行了跟隨實驗。實驗表明無人車可以較好地實現(xiàn)固定距離的跟隨，在工業(yè)自動化以及日常生活中對于解放雙手、減輕人們的負(fù)擔(dān)方面具有重要的意義。