基于UWB 技术的室内移动机器人跟随系统设计

2021-01-24曹江浩谭晓东陈乐鹏

科技创新与应用 2021年4期

曹江浩，谭晓东，陈乐鹏

（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028）

引言

快速发展的机器人行业，为人们提供多种服务于室内的移动机器人[1]。随着我国人口老龄化愈发严重，年轻人迫于生活压力不得不忙于工作，为更好地服务于老年人和残障人士的生活，设计一款基于UWB 的跟随机器人来提供陪伴和看护任务。

超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）技术是一种脉冲无线电，在很长一段时间内，UWB 技术一直应用于军事领域。2002年开始，美国联邦通讯委员会（FCC）才批准将UWB 用于民用，并制定了严格的使用规范[2]。超宽带系统凭借其远超传统通信系统的带宽而具有超低功耗、多径分辨率能力更高、更易于集成以及定位性能高等优点，故选用超宽带作为机器人的通信系统，可满足移动机器人高精度定位需求。

1 UWB 技术定位原理

无线定位方法通常可以分为测距和非测距的两种类型定位方法[4]。前者的定位原理需要得出基站Anchor 与待测标签Tag 之间的距离或角度信息，通过建立多个方程形成方程组来求解得到一个最优解即Tag 的位置坐标。后者则是通过网络之间的互通性来确定Tag 之间的跳数，根据已知Anchor 位置信息估计每一跳之间的大概距离，然后通过相应算法求出位置信息。由于第一种类型定位方法定位误差较大，不能满足高精度室内定位要求，因此本文选择基于测距的无线定位方法。

超宽带技术通过测距的方式进行定位的方法主要有SSR，AOA，TOA，TDOA。本文采用 TOA 的定位方法。通过测量信号从Anchor 到Tag 的飞行时间来计算两者之间的距离，再通过三边定位算法得到Tag 的具体位置坐标。三边定位法原理如图1 所示[5]。

图1 三边定位法模型

上图中，三个点为已知坐标信息的Anchor，其值分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），X 点为未知 Tag 位置坐标（x，y）。三点到 X 的距离分别为 r1，r2，r3。信号从 Tag 发出到Anchor 接收的时间是 ti，ri=ti*C（i=1，2，3），C 为无线电波在空气中的传播速度约为299792458m/s。

上式中，三个方程中只有x，y 两个未知数，求解可得到待测坐标（x，y）。

图2 系统总体设计框架图

2 硬件设计

2.1 系统总体设计框架（如图2）

2.2 UWB 模块

本次实验选择使用蓝点无限的BPhero-UWB 模块作为信号的发生器和接收器，是基于主控MCU 为STM32F103C8T6 和DWM1000 官方模块的开发板，其硬件设备如图3 所示，其外围电路有OLED 液晶接口、反接保护与过流保护电路、SWIO 下载接口、LED 指示灯等，最高主频72MHz，工作电压3.3v。下载程序采用型号为Stlink V2的串口连接，DWM1000 接口电路图如图4 所示。

图3 BPhero-UWB 模块

2.3 运动速度检测模块

该模块为安装于电机尾部的增量式霍尔编码器，该编码器输出的信号为正交AB 相，其为标准的方波，STM32 自带编码器接口，可以直接使用硬件计数来判别电机的旋转方向和速度。其接口电路如图5 所示。

2.4 避障模块

红外光电传感器属于光电接近开关的一种，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无[6]。通过红外传感器检测移动机器人周边是否有障碍物，以实现机器人的自动避障功能。其接口电路如图6 所示。

3 系统软件设计

图4 DW100 接口电路图

图5 运动速度检测模块电路

3.1 跟随方案说明

由于人与移动机器人所处的环境为三维立体空间，故以机器人作为参考建立三维坐标系[7]。如图7 左所示，其中O、A、B 为装在机器人上的3 个UWB 模块作为基站，坐标分别为（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3），人身上佩戴或手持一个 UWB 模块作为标签 T（x，y，z）。三个基站的放置按照等腰三角形三个顶点固定在机器人上，保证OA 与OB 相等，基站不断发出UWB 脉冲信号，标签T 接收到信号后经滤波处理，再根据TOA 算法即可得到标签到3 个基站的距离TO，TA，TB。通过相关几何运算可以得到标签与基站所在平面的高度TC 值。

图6 避障模块电路

图7 跟随方案图

如图7 右所示，由于基站A 和B 在安装时已经固定且距离已知，TA、TB 经TOA 算法也已得到，故可根据余弦定理计算出△ABT 的任一角度值。控制变量TA 与∠TAB 的值即可达到控制机器人跟随的目的。具体如下：设置两基站A，B 距离为0.3m，OA=OB=0.4m，经过TOA算法及相关几何运算可得出TC、TA、∠TAB 的具体值。判断TC 值是否大于1.8m，若大于，则机器人标签处于异常位置，移动机器人停止运动；若不大于，则机器人标签处于正常位置，继续执行下一步。然后判断TA 是否大于1m，若小于1m，机器人与标签距离很近，停止运动；若大于1m，机器人需要通过移动靠近标签位置，具体运动方向需根据∠TAB 的值判断。∠TAB 小于65°时，机器人运动方向为左；∠TAB 大于125°时，机器人运动方向为右；否则，机器人运动方向保持直行。