曹江浩,譚曉東,陳樂鵬
(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)
快速發(fā)展的機(jī)器人行業(yè),為人們提供多種服務(wù)于室內(nèi)的移動機(jī)器人[1]。隨著我國人口老齡化愈發(fā)嚴(yán)重,年輕人迫于生活壓力不得不忙于工作,為更好地服務(wù)于老年人和殘障人士的生活,設(shè)計(jì)一款基于UWB 的跟隨機(jī)器人來提供陪伴和看護(hù)任務(wù)。
超寬帶(Ultra Wide-Band,UWB)技術(shù)是一種脈沖無線電,在很長一段時間內(nèi),UWB 技術(shù)一直應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。2002年開始,美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)才批準(zhǔn)將UWB 用于民用,并制定了嚴(yán)格的使用規(guī)范[2]。超寬帶系統(tǒng)憑借其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的帶寬而具有超低功耗、多徑分辨率能力更高、更易于集成以及定位性能高等優(yōu)點(diǎn),故選用超寬帶作為機(jī)器人的通信系統(tǒng),可滿足移動機(jī)器人高精度定位需求。
無線定位方法通??梢苑譃闇y距和非測距的兩種類型定位方法[4]。前者的定位原理需要得出基站Anchor 與待測標(biāo)簽Tag 之間的距離或角度信息,通過建立多個方程形成方程組來求解得到一個最優(yōu)解即Tag 的位置坐標(biāo)。后者則是通過網(wǎng)絡(luò)之間的互通性來確定Tag 之間的跳數(shù),根據(jù)已知Anchor 位置信息估計(jì)每一跳之間的大概距離,然后通過相應(yīng)算法求出位置信息。由于第一種類型定位方法定位誤差較大,不能滿足高精度室內(nèi)定位要求,因此本文選擇基于測距的無線定位方法。
超寬帶技術(shù)通過測距的方式進(jìn)行定位的方法主要有SSR,AOA,TOA,TDOA。本文采用 TOA 的定位方法。通過測量信號從Anchor 到Tag 的飛行時間來計(jì)算兩者之間的距離,再通過三邊定位算法得到Tag 的具體位置坐標(biāo)。三邊定位法原理如圖1 所示[5]。
圖1 三邊定位法模型
上圖中,三個點(diǎn)為已知坐標(biāo)信息的Anchor,其值分別為 (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),X 點(diǎn)為未知 Tag 位置坐標(biāo)(x,y)。三點(diǎn)到 X 的距離分別為 r1,r2,r3。信號從 Tag 發(fā)出到Anchor 接收的時間是 ti,ri=ti*C(i=1,2,3),C 為無線電波在空氣中的傳播速度約為299792458m/s。
上式中,三個方程中只有x,y 兩個未知數(shù),求解可得到待測坐標(biāo)(x,y)。
圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖
本次實(shí)驗(yàn)選擇使用藍(lán)點(diǎn)無限的BPhero-UWB 模塊作為信號的發(fā)生器和接收器,是基于主控MCU 為STM32F103C8T6 和DWM1000 官方模塊的開發(fā)板,其硬件設(shè)備如圖3 所示,其外圍電路有OLED 液晶接口、反接保護(hù)與過流保護(hù)電路、SWIO 下載接口、LED 指示燈等,最高主頻72MHz,工作電壓3.3v。下載程序采用型號為Stlink V2的串口連接,DWM1000 接口電路圖如圖4 所示。
圖3 BPhero-UWB 模塊
該模塊為安裝于電機(jī)尾部的增量式霍爾編碼器,該編碼器輸出的信號為正交AB 相,其為標(biāo)準(zhǔn)的方波,STM32 自帶編碼器接口,可以直接使用硬件計(jì)數(shù)來判別電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。其接口電路如圖5 所示。
紅外光電傳感器屬于光電接近開關(guān)的一種,它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射,由同步回路選通而檢測物體的有無[6]。通過紅外傳感器檢測移動機(jī)器人周邊是否有障礙物,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動避障功能。其接口電路如圖6 所示。
圖4 DW100 接口電路圖
圖5 運(yùn)動速度檢測模塊電路
由于人與移動機(jī)器人所處的環(huán)境為三維立體空間,故以機(jī)器人作為參考建立三維坐標(biāo)系[7]。如圖7 左所示,其中O、A、B 為裝在機(jī)器人上的3 個UWB 模塊作為基站,坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),人身上佩戴或手持一個 UWB 模塊作為標(biāo)簽 T(x,y,z)。三個基站的放置按照等腰三角形三個頂點(diǎn)固定在機(jī)器人上,保證OA 與OB 相等,基站不斷發(fā)出UWB 脈沖信號,標(biāo)簽T 接收到信號后經(jīng)濾波處理,再根據(jù)TOA 算法即可得到標(biāo)簽到3 個基站的距離TO,TA,TB。通過相關(guān)幾何運(yùn)算可以得到標(biāo)簽與基站所在平面的高度TC 值。
圖6 避障模塊電路
圖7 跟隨方案圖
如圖7 右所示,由于基站A 和B 在安裝時已經(jīng)固定且距離已知,TA、TB 經(jīng)TOA 算法也已得到,故可根據(jù)余弦定理計(jì)算出△ABT 的任一角度值??刂谱兞縏A 與∠TAB 的值即可達(dá)到控制機(jī)器人跟隨的目的。具體如下:設(shè)置兩基站A,B 距離為0.3m,OA=OB=0.4m,經(jīng)過TOA算法及相關(guān)幾何運(yùn)算可得出TC、TA、∠TAB 的具體值。判斷TC 值是否大于1.8m,若大于,則機(jī)器人標(biāo)簽處于異常位置,移動機(jī)器人停止運(yùn)動;若不大于,則機(jī)器人標(biāo)簽處于正常位置,繼續(xù)執(zhí)行下一步。然后判斷TA 是否大于1m,若小于1m,機(jī)器人與標(biāo)簽距離很近,停止運(yùn)動;若大于1m,機(jī)器人需要通過移動靠近標(biāo)簽位置,具體運(yùn)動方向需根據(jù)∠TAB 的值判斷?!蟃AB 小于65°時,機(jī)器人運(yùn)動方向?yàn)樽?;∠TAB 大于125°時,機(jī)器人運(yùn)動方向?yàn)橛?;否則,機(jī)器人運(yùn)動方向保持直行。
圖8 移動跟隨機(jī)器人控制流程圖
設(shè)計(jì)了一種基于UWB 技術(shù)的高精度移動跟隨機(jī)器人,主要分析了UWB 系統(tǒng)的定位原理及方法,以STM32和DW1000 模塊為主體進(jìn)行了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì),并編制了軟件的執(zhí)行程序。通過實(shí)驗(yàn)表明,移動機(jī)器人可以在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度跟隨。