湯君旸

自動(dòng)跟隨旅客的智能行李箱等產(chǎn)品，基于無線互聯(lián)技術(shù)，存在定位和跟隨易受到外部環(huán)境影響、定位不夠精確、能耗高、移動(dòng)不順暢等局限。分析原因，主要是無線互聯(lián)技術(shù)需要全方位搜索計(jì)算，而且無線互聯(lián)屬于空間無定域和弱定向選擇互聯(lián)，信號(hào)傳播與信號(hào)本身易受到干擾。為了改善自動(dòng)跟隨裝置的上述不足，本項(xiàng)目利用超聲波技術(shù)，主要針對(duì)室內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)強(qiáng)化定位與定向跟隨性能，設(shè)計(jì)一種基于超聲波定位技術(shù)和全向輪速度調(diào)節(jié)強(qiáng)魯棒性PI算法的半自動(dòng)定位與定向跟隨的全向智能移動(dòng)裝置。

設(shè)計(jì)思路及方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為克服已有自動(dòng)跟隨裝置的不足，更好地適用目標(biāo)場(chǎng)景，確定本項(xiàng)目在傳感系統(tǒng)上采用分布式超聲波半自動(dòng)定位與定向，控制系統(tǒng)采用強(qiáng)魯棒性PI算法，執(zhí)行系統(tǒng)采用高可靠性全向驅(qū)動(dòng)輪組，設(shè)計(jì)出一種強(qiáng)化半自動(dòng)定位與定向跟隨的全向智能移動(dòng)裝置。

硬件設(shè)計(jì)和組裝

該裝置包括主人身上的1個(gè)超聲波發(fā)射器，以及設(shè)有4個(gè)接收傳感器、2個(gè)雙路大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和3個(gè)帶直流電機(jī)的全向輪定位跟隨載體裝置。總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

·4個(gè)超聲波接收傳感器位于裝置的頂部，處于同一平面，以接收發(fā)射器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

·速度控制組件（2個(gè)雙路大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，3個(gè)帶直流電機(jī)的全向輪組）得到發(fā)射裝置的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)后，傳到位于中心的Arduino Mega 2560Rev3單片機(jī)，再采用強(qiáng)魯棒性PI控制算法，按全向輪速度偏差的比例（P）、積分（I）對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，采用單片機(jī)控制PWM電路控制電機(jī)的速度，與主人保持同速。

·3個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)互成120°角，這種三角形結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)以3組馬達(dá)環(huán)繞的軸心為中心做自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。全向輪組如圖2所示。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波定位算法

本裝置利用超聲波傳感器檢測(cè)到的發(fā)射器與4個(gè)接收器間（d1，d2，d3，d4）的距離，算出發(fā)射器相對(duì)于所建坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)，從而進(jìn)行定位跟蹤。

基于Robust PI算法的全向輪控制采用了強(qiáng)魯棒的PI算法（比例P、積分I），使環(huán)境的不確定性和參數(shù)變化對(duì)該閉環(huán)系統(tǒng)的影響盡量降低，其抗干擾能力、容錯(cuò)能力較強(qiáng)。

外觀設(shè)計(jì)

裝置的木質(zhì)外殼使用激光切割機(jī)切割成型，用熱熔膠槍進(jìn)行粘接，連接處由銅柱加固，外設(shè)開關(guān)和充電插口。圖3為外觀設(shè)計(jì)示意圖，圖4為實(shí)際裝置。

測(cè)試和結(jié)果分析

Robust PI算法的測(cè)試

為檢驗(yàn)裝置所采用的Robust PI算法的有效性，將裝置與電腦連接。通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置實(shí)際速度與理想速度的對(duì)比。先記錄裝置正常運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，再在全向輪旋轉(zhuǎn)時(shí)用手施加阻力以改變理想速度，觀察真實(shí)速度隨理想速度的變化。結(jié)果表明，理想速度不變時(shí)，實(shí)際速度圍繞理想速度上下很小幅度波動(dòng)，但大體保持恒定。在理想速度突然變化時(shí)，實(shí)際速度馬上改變并圍繞理想速度上下很小幅度波動(dòng)。以上實(shí)驗(yàn)證明：裝置所采用的Robust PI算法對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變反應(yīng)較為靈敏，能較好地適用于自動(dòng)跟隨裝置。

超聲波定位算法的測(cè)試

為了測(cè)試超聲波定位系統(tǒng)的效率，提出了以下實(shí)驗(yàn)：通過在裝置的頂部放置一個(gè)液晶顯示屏，顯示每個(gè)超聲波接收器和超聲波發(fā)射器之間的距離。然后，任意選取2個(gè)實(shí)際坐標(biāo)結(jié)合顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)，代入超聲波定位算法進(jìn)行計(jì)算，重復(fù)測(cè)試100次，得到計(jì)算的平均坐標(biāo)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，平均總誤差在1.45%左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：超聲波定位算法足夠準(zhǔn)確。

研究結(jié)論

通過以上測(cè)試驗(yàn)證了本項(xiàng)目裝置有關(guān)算法有效，達(dá)到了研發(fā)的目標(biāo)與預(yù)期效果。

能耗低 采用分布式超聲波半自動(dòng)定位與定向的技術(shù)方案，使箱體隨著主人指引而被動(dòng)跟隨，相較于需要全方位跟隨搜索計(jì)算定位的現(xiàn)有跟隨裝置而言能耗低。

精準(zhǔn)度高、靈敏度強(qiáng) 超聲波技術(shù)定位，相對(duì)于紅外線、藍(lán)牙等無線互聯(lián)技術(shù)，穿透力強(qiáng)，定位精準(zhǔn)度高。同時(shí)，由于采用1個(gè)發(fā)射器與4個(gè)接收器特殊組合，這種創(chuàng)新算法，定位更加精確。而且，指向定位、定向跟隨也會(huì)達(dá)到更好的抗干擾效果。

全向瞬時(shí)移動(dòng) 采用3個(gè)智能全向輪組，對(duì)地面摩擦小，轉(zhuǎn)彎更方便，在遇到崎嶇不平的路面對(duì)其造成沖擊時(shí)，各全向輪均可以相對(duì)支架單獨(dú)或者同時(shí)沿豎直方向滑動(dòng)，能夠適應(yīng)路面的起伏，起到緩沖作用，減少運(yùn)輸時(shí)的震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)任意方向上的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)效率和靈活性。

自動(dòng)調(diào)速 采用強(qiáng)魯棒性PI算法克服復(fù)雜不確定地面環(huán)境對(duì)裝置驅(qū)動(dòng)運(yùn)行帶來的不利影響，有效保持裝置的穩(wěn)定性，提高其抗干擾能力。同時(shí)，裝置在自動(dòng)行走時(shí)，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱由單片機(jī)控制PWM電路控制電機(jī)的速度，與主人保持同速，避免箱體過快或過慢帶來的不便。

受環(huán)境影響小 由于采取智能全向輪組，使箱體轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)更方便，能夠適應(yīng)狹窄或不規(guī)則環(huán)境的行走。同時(shí)，采用強(qiáng)魯棒的PI算法也能提高其對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，提高抗干擾能力。

推廣性強(qiáng) 本項(xiàng)目裝置采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，價(jià)格低廉，裝置簡(jiǎn)單，成本低，易于維修，便于攜帶，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，工作穩(wěn)定，具有很好的推廣性。

創(chuàng)新點(diǎn)

分布式超聲波半自動(dòng)定位與定向利用超聲波的指向定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了1個(gè)發(fā)射器向4個(gè)接收器發(fā)出超聲波信號(hào)，基于4個(gè)接收傳感器組合，并優(yōu)化計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)定位的新算法及新跟隨控制系統(tǒng)，使箱體根據(jù)主人的指引被動(dòng)跟隨，避免了現(xiàn)有智能移動(dòng)裝置中自動(dòng)跟隨的全方位搜索計(jì)算，達(dá)到了定位更加精準(zhǔn)、更好控制、反應(yīng)更快、抗干擾能力更強(qiáng)、更加節(jié)能的效果。

抗干擾強(qiáng)魯棒性PI控制算法 較普通PI算法驅(qū)動(dòng)輪更能適應(yīng)復(fù)雜地面環(huán)境，抗干擾能力更強(qiáng)，調(diào)節(jié)全向輪速度更加精確，能有效克服復(fù)雜環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的影響，并提高裝置的實(shí)用性與穩(wěn)定性，使之保持與主人同速。

高可靠性全向輪驅(qū)動(dòng) 設(shè)計(jì)3個(gè)全向輪作為驅(qū)動(dòng)輪組，3個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)互成120°角，對(duì)地面摩擦小，實(shí)現(xiàn)向任意方向瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)效率和靈活性。

小結(jié)

本項(xiàng)目裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、攜帶方便、易于維修、成本低、推廣性強(qiáng)、受環(huán)境限制少的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛用于家用掃地機(jī)器人、自動(dòng)跟隨行李箱、智能圖書館、貨品倉庫、智能駕駛、商場(chǎng)購物車、寵物防丟智能監(jiān)控跟隨等多個(gè)領(lǐng)域。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

項(xiàng)目提出了一種強(qiáng)化半自動(dòng)定位與定向跟隨裝置，采用超聲波指向定位設(shè)計(jì)方案，利用4個(gè)接收器構(gòu)成TDOA定位體制，目標(biāo)定位、定向精度高;采用了魯棒Pl控制算法，目標(biāo)穩(wěn)定性、抗干擾性能有了較大提升。但驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)略有不足，地形適應(yīng)不理想，建議采用六輪搖臂機(jī)構(gòu)或履帶機(jī)構(gòu)改善地形適應(yīng)性。