基于UWB技术的自动跟随避障系统设计研究

杜美玉，于湉，胡霆丰，王欣浩，李亚澎，高洪非

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010062）

0 引言

目前传统GPS技术已经成熟，可以针对自动跟随避障系统实现远距离定位需求，但GPS技术在近距离定位方面仍然存在定位精度差的问题。传统跟随采用的传感器如摄像头和超声波等也存在很多实际应用上的问题，而UWB技术既能实现近距离精准定位，也不存在传感器易受干扰的问题，因此，基于UWB技术设计自动跟随系统是最好的选择，此外由于轮式机器人在生产生活中具有结构简单、应用场景广泛、控制简单等特点，所以本系统搭建在自主设计的智能小车上，运用PWM技术对电机进行调速，在系统中增加避障传感器，从而实现整体的自动跟随避障系统设计[1-3]。

1 UWB技术实现跟随的概述

1.1 UWB技术测距的基本原理

TOF(Time of Flight,飞行时间测距法)主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离[4]。一对DWM1000中的发送者发送radio_message1，并记录此时时刻t1，经过TOF时间之后，这对 DWM1000模块中的接受者收到radio_messag后，延时t_reply时间后，发送radio_message2，经过TOF时间后，发送者收到radio_message2，并记录此时时间t2。计算信号飞行时间和测得距离公式入如式（1）和式（2），其中c为传播速度。

1.2 UWB跟随的基本原理

通过TOF算法，计算出标签和基站即被跟随目标对于机器人跟随系统的距离，移动跟随机器人上安装有3个UWBLOC跟随模块作为基站，人和机器人处在同样环境中，身上穿戴有一个UWBLOC跟随模块作为标签，假设人初始时刻已被机器人锁定。3个基站按等边三角形三个顶点位置固定在移动机器人上，用来发射UWB信号，标签接收到信号后，通过TOF算法可算出标签分别距3个基站的距离，再通过数学模型得到人相对于机器人的位置[5-7]，以机器人本身为参考系建立一个局部坐标系统所示，定义3个基站位置距离AB、BC、AC均为a；定义BC边上的高所在延长线为y轴，y轴正向与机器人自身的方向一致，3个基站构成的等边三角形AB边的中点为O（0，0，0），标签坐标为M（x，y，z），其中z为标签到基站所在水平面的高度，等边三角形的中心为H。

根据3个基站到标签的距离，通过解析几何可以算出标签M在等边三角形所在平面的投影M点到等边三角形中心的距离，如式（3）所示。标签M在等边三角形所在平面的投影M′点与等边三角形中心H点的连线，即MH与y轴的夹角即方位角，如式（4）所示。

获得L和θ之后，即可确定人相对与小车的位置，由θ控制小车转向角度，L控制小车车轮转，即可实现跟随。

2 基于UWB技术的自动跟随避障系统组成

本系统采用高性能、低功耗处理芯片STM32F103C8T6作为主控器，DC-DC降压模块、电机驱动模块、rm35电机、智能小车组成运动部分，UWB模块跟随部分、漫反射光电传感器避障部分、OLED显示模块构成显示部分，12V探照灯照明部分，完成自动跟随小车控制系统的设计，具体关系如图2。

3 基于UWB技术的自动跟随避障系统设计

智能车结构设计：采用浮动式减震，保险杠防碰撞式结构保证稳定性。

跟随部分设计：UWB基站正三角型放置在智能车顶部，符合定位跟随数学模型，便于控制。

避障部分：采用漫反射光电传感器避障，价格便宜，控制简单，安放在车前，但由于检测距离短，因此效果不是很好。

显示部分：采用OLED模块放置在车体角落可以查看运动速度，既方便又不占空间。

12V探照灯部分，采用12V探照灯，保证智能车在夜间也能工作。

4 测试以及结果

4.1 手动测试

未对对该系统可行性进行充分严重，分别极易三种不同模式对小车运行状态进行测试。首先进行手动测试工作，基于手动模式，小车按照操作人员指令完成设计轨迹的运行工作。对小车向右、向左、向后以及向前等功能分别进行设置，操作人员完成设置后，小车能够立即朝着设定方向行驶。操作人员进行低速、中速以及高速设置是，能够对小车行驶速度的变化进行直观观测，见图4。

为小车进行不同速度的设置，借助编码器对小车实时行驶速度进行实时反馈回收，采用频率为1次/5min。通过上图能够发现，基于设定速度条件下，小车可以稳定行驶。因此，基于手动模式条件下，有着良好行驶抓昂太，符合系统要求。

4.2 跟随模式

基于搬运情境，需要小车和工人或是其他设备保持良好距离。基于跟随模式，传感器主要涵盖超声波、防撞条传感器以及UWB模块。为了对小车在此模式中的实际行驶状态进行有效测试，测试人员用手拿着目标模块，基于1.2m/s速度在测试场地运动，设置跟随距离为10～200cm，测试人员向右、向左、向后、向前，小车均能够跟随测试人员进行运动。小车在行驶过程中发生意外撞击，或是其他障碍物，也能够立即停止（见图5）。

对小车的跟随距离分别设计为150cm、100cm、50cm，能够发现，小车和目标距离与设定跟随距离并无明显差异，因此，该系统计机遇跟随模式同样可以稳定运行。

4.3 循迹模式

未对小车基于循迹模式下形式状态进行有效测试，在黑色道路上铺设磁条传感器，将白色站点设置在路口位置，即RFID传感器。开展测试活动过程中，小车按照设定的道路行驶，并没有偏离设计轨迹。智能小车在经过RFID标签站点过程中，按照传感器传输的信息指令开展后续行驶动作，标杆传感器能够携带停止、向后、向前、向右、向左以及速度等指令信息[8]。基于循迹模式，小车运行状态良好，可以满足实际工作需求。

5 结论

综上所述，随着现代社会人工智能技术的不断发展，促使自动跟随系统应用范围也在随之持续扩大，如机场乘客行李搬运、大型商场智能购物车、车间内检验人员工具搬运等方面都存有自动跟随系统，由此可知，自动跟随系统的出现不仅能彻底解放人们的双手，同时也为现代生活提供更多便利，在提高现代人生活质量中做出重大贡献。根据以上分析，将UWB技术作为基础来设计自动跟随避障系统，必定能够为智能化跟随设备应用起到一定推广效果。通过实际测试工作，该系统智能小车能够在跟随模式、手动模式以及循迹模式下稳定行驶，同时精准完成设计动作。测试结果显示该系统设计的智能小车在不同搬运场景中均有着良好是影响，该系统设计在工业自动化发展方面具有重要意义。