基于UWB的自动跟随轮椅车研究设计

彭广贵 王真 黄瑾霞 蔚卓义 骆佼

上海工程技术大学机械与汽车工程学院 上海 201620

引言

随着社会老龄化问题的逐渐加重和残障人士等行动不便人群比例的不断提高，如何帮助老年人以及残障人士更好地重新融入社会生活成为一个重要问题。随着科学技术的发展，更加先进的交通工具正在努力逐步改善人们的日常生活和出行方式，经过我们全新设计的自动跟随轮椅就是其中之一。目前在自动跟随领域的产品很多，但大多数产品无法实现实用场景下的精确定位和对使用者的灵活跟随。GPS定位制导仅限于户外，且精度低，无法满足使用者在闹市区等人员密集场所的使用需求;蓝牙信号位于2.4GHz的频带，具有时差的测距容易受到手机信号、Wi-Fi信号、无线鼠标信号等普遍存在的信号的干扰，使测距不准确，导致设备无法做到灵活跟随；超声波和激光定位系统可以做到在一定范围内准确定位，但定位距离有较大的限制，且受周围温度和多普勒效应的影响较大。所以为了更好地实现自动跟踪功能，我们引入了UWB（Ultra Wide Band）无限载波通信技术。

设计的方案通过基于UWB超宽带的无线载波通信技术，使用单片机来确定目标位置和控制麦克纳姆轮运动，实现小车的跟随运动，或可以通过轮椅车扶手上的按键控制轮椅车的运动和升降横移，从而实现一台能够实现多车自动跟随、单车自主控制运行，必要时能够升降横移、折叠的轮椅车。

1 自动跟随实现设计

基于UWB技术的轮椅车自动跟随系统由一台主车与一台从车组成，主车上的3个角的位置各有一个接收器，分别为原点、X轴和Y轴，单片机通过一定的算法来获取用户发射器与主车的相对位置，然后通过UWB无线载波通信技术，利用信号的飞行时间差来测量两个通讯模块之间的距离，同时根据小车基站阵列的相对位置，以及标签与基站的相对距离，计算出手持标签与车载3个基站的距离后建立轴坐标系，通过角度与距离算法求出标签的轴坐标，然后换算为十字坐标，再通过十字坐标进而得知x、y方向的步进。再通过单片机控制麦克纳姆轮转向和移动，实现自动跟随[1]。

2 小车驱动系统设计

小车驱动系统由主控电路板、锂电池、减速电机和底盘组成。

2.1 主控单元

小车主控板是基于STM公司的stm32f103rct6单片机，芯体尺寸是32位，速度是72MHz，工作温度在-40℃～85℃之间，该单片机在稳定性与经济性上面都有一定的优势。

2.2 电源模块

小车使用9块5300mAh的锂电池并联而成一个电池组，该电池为30C充足的放电效率也为小车的驱动力提供保证。使用多电池并联方式可以保证任何一个电池故障而不影响整体，从而保证小车能够正常使用，而单体电池做不到这一点，正常情况下可以使用240分钟。

2.3 电机驱动模块

本方案使用电机为JGB37-520 直流减速电机，该电机自带编码器，速度慢，噪音小，容易控制；扭矩大，输出平顺。为小车的麦克纳姆轮提供动力，可以满足承载20kg的重物设计。

电机规格参数：减速比90；空载电流≤12MA；空载转速110rpm；额定转矩10.0kg/cm；额定转速85rpm。

2.4 底盘模块

底盘使用2020铝型材搭建主框架，满足载重需求的同时，相对于钢材料来说质量更轻，可以有效降低小车整体质量，提高小车续航能力。

2.5 急停模块

急停开关适用于在紧急情况下直接断开控制电路的电源从而使电机快速停止设备避免非正常工作，本方案采用了3个LAS1-AGQ-11TS单断点快动触头开关，分别于小车底盘两侧以及座椅后侧各布置一个，开孔尺寸19mm，外壳为铝合金材料[2]。

3 麦克纳姆轮设计

由于麦克纳姆轮的每一个轮子都有自己独立的驱动电机，可以分别对六个麦克纳姆轮进行单独的转向及转速的控制，车体可以实现任意方位的移动。实现任意方位移动的方式是基于一个有许多位于机轮周边轮轴的中心轮的原理上，在轮毂的周围分布着许多的小滚子，小滚子的转动中心轴线和轮毂的轴线夹角45°，故轮子可以横向滑移。当麦克纳姆轮绕着固定的轮心轴转动时，滚子的包络线为圆柱面所以麦克纳姆轮可以向前一直滚动。而用四个麦克纳姆轮加以组合，则可以使其实现全方位的移动功能。

麦克纳姆轮一般是成对使用的，且左旋轮和右旋轮的数量相等。本方案使用六个麦克纳姆轮，三个左旋轮，三个右旋轮，其中有两个作为中间支撑轮增加轮椅车的承载能力而不影响任意方位的转向及移动。左旋轮和右旋轮呈手性对称，麦克纳姆轮安装方式有多种，主要分为：X-正方形、X-长方形、O-正方形、O-长方形。其中O和X分别表示的是四个轮子与地面接触的辊子所形成的图形；正方形和长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状。

4 升降横移设计

为了方便老年人及残障人士上下轮椅车，本方案增加升降横移功能，当需要使用轮椅车时，椅子能够向前平移并且降低座椅高度，座椅高度下降方便上下轮椅车且将重心前移防止使用人坐上轮椅车瞬间的冲击力造成后翻的危险。还可以通过轮椅车的升降横移实现折叠功能。

5 结束语

通过实验设计了一个基于UWB的主从跟随处理系统。在本设计中运用了目前比较热门的UWB室内定位，UWB定位算法相对比较成熟，适用于类似于室内这样的使用要求精度较高的场所。而对于麦克纳姆轮使用单片机各模块的综合应用，则是运用了麦克纳姆轮能够万向转向的特性，和单片机髙集成度，髙可靠性和体积小的特点，充分满足所需要的功能。通过单片机的控制，实时监测目标的相对位置并做出相应的避让，让安全性更上一层楼。这是一款能够实时检测目标相对位置并与麦克纳姆全向轮结合，实现自动跟随的轮椅车。