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        基于UWB雙向飛行算法完成精準(zhǔn)跟隨實(shí)驗(yàn)的研究

        2023-08-23 08:18:54劉卓婭周俊華胡樹(shù)杰林凡舒張馳董映萍龍永運(yùn)
        電子制作 2023年14期
        關(guān)鍵詞:手環(huán)藍(lán)牙基站

        劉卓婭,周俊華,胡樹(shù)杰,林凡舒,張馳,董映萍,龍永運(yùn)

        (1.珠海科技學(xué)院,廣東珠海,519041;2.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東珠海,519090)

        0 引言

        隨著智能時(shí)代的發(fā)展,各種智能機(jī)器人產(chǎn)品亦蜂擁而出,諸如自動(dòng)跟隨行李箱、智能跟隨陪護(hù)機(jī)器人、智能跟隨快遞車、智能跟隨搬運(yùn)機(jī)器人等,它們均體現(xiàn)出了智能跟隨技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。智能跟隨搬運(yùn)機(jī)器人能有效解決人工勞動(dòng)力,為人們的日常生活提供便利。本文研究設(shè)計(jì)了基于UWB技術(shù)的智能跟隨系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于UWB的雙向飛行算法,能有效提高智能跟隨精準(zhǔn)度,同時(shí)考慮到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中,跟隨機(jī)器人執(zhí)行定位跟隨功能時(shí)會(huì)遇到各種障礙物,因此本系統(tǒng)設(shè)有基于超聲波傳感器的避障功能模塊。

        1 總體設(shè)計(jì)

        ■1.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)總體分為兩部分,第一部分為是智能手環(huán),第二部分是小跟搬主體。其中智能手環(huán)的主要功能為接收基站發(fā)送的信號(hào)并返回信號(hào)給基站,而小跟搬的主要功能分為兩個(gè),一個(gè)是向智能手環(huán)發(fā)收信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算處理,實(shí)現(xiàn)跟隨的功能,另一個(gè)是避障功能,當(dāng)小跟搬在跟隨的過(guò)程中判斷到出現(xiàn)障礙物的情況,停止跟隨進(jìn)行避障操作,當(dāng)避障完成后重新定位繼續(xù)跟隨。

        系統(tǒng)總體流程如圖1所示,當(dāng)系統(tǒng)初始化后,智能手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙模塊與小跟搬進(jìn)行同步后,首先小跟搬的基站發(fā)出信號(hào)給手環(huán)上的標(biāo)簽,通過(guò)預(yù)設(shè)跟隨距離計(jì)算出跟隨手環(huán)標(biāo)簽預(yù)基站之間的水平差,然后進(jìn)行跟隨模式。當(dāng)小跟搬上的超聲波模塊檢測(cè)到障礙物后,斷開(kāi)跟隨模式進(jìn)入避障模式,成功避障后,計(jì)算與標(biāo)簽的偏移角后進(jìn)行修正,之后繼續(xù)進(jìn)入跟隨模式。

        圖1 系統(tǒng)流程圖

        ■1.2 硬件結(jié)構(gòu)

        為實(shí)現(xiàn)小跟搬達(dá)到精準(zhǔn)跟隨的目的,該方案采用了一個(gè)主控元件,四個(gè)超寬帶模塊,一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,四個(gè)超聲波模塊和一個(gè)藍(lán)牙模塊。硬件總框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

        圖2 硬件總框圖

        1.2.1 主控元件

        該系統(tǒng)采用的MCU單片機(jī)為STM32F103ZET6。相較于STC單片機(jī)有著更高的實(shí)用性,STM32具有最高72MHz工作頻率,串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口可用于仿真,可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和精準(zhǔn)的控制,2個(gè)看門狗定時(shí)器防止程序跑飛,單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位。甚至可以用IIC通訊,而STC系列目前只能進(jìn)行串口通訊,其他通訊方式不能精準(zhǔn)穩(wěn)定進(jìn)行。

        1.2.2 UWB超寬帶

        小跟搬采用的UWB超聲波模塊的主控芯片的型號(hào)為STM32F105,內(nèi)置電路中包含DW1000、電源、撥碼開(kāi)關(guān)等模塊。其中,DW1000是UWB的一個(gè)信號(hào)收發(fā)器。該模塊具有許多優(yōu)點(diǎn),如穿透力強(qiáng)、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、定位精度高等。此外,UWB通信模塊通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的變化可以同時(shí)作為基站和標(biāo)簽。

        1.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

        小跟搬選用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的型號(hào)為L(zhǎng)298N,是專用的驅(qū)動(dòng)集成電路。由于L298N可通過(guò)主控芯片的I/O輸入對(duì)電機(jī)的控制電平進(jìn)行直接設(shè)定,因此能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的變化。程序化控制簡(jiǎn)便、硬件操作易上手、穩(wěn)定性優(yōu)良,滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動(dòng)條件,符合小跟搬運(yùn)動(dòng)的條件要求。

        1.2.4 超聲波模塊

        小跟搬選用的超聲波模塊的型號(hào)為US-015,US-015可實(shí)現(xiàn)0.02m-4m的非接觸測(cè)距功能,探測(cè)精度為0.1cm+1%,分辨率高于1mm,可達(dá)0.5mm。與普通的超聲波模塊(HC-SR 04)相比,其具有高分辨率、重復(fù)測(cè)量一致性高、工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

        1.2.5 藍(lán)牙模塊

        系統(tǒng)應(yīng)用的藍(lán)牙模塊為jdy-30是依據(jù)藍(lán)牙3.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),工作頻段為2.4GHz范圍的片上系統(tǒng),主要適用于藍(lán)牙高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸比BLE藍(lán)牙快、可達(dá)到8K每秒以上的速率,并且功率消耗低。利用這個(gè)優(yōu)勢(shì)可將藍(lán)牙與MCU進(jìn)行串口通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽,基站的時(shí)鐘同步。

        2 智能跟隨

        ■2.1 跟隨原理

        本次研究設(shè)計(jì)的小跟搬自動(dòng)跟隨系統(tǒng)是通過(guò)UWB定位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其共使用到4個(gè)UWB單片機(jī)模塊,小跟搬上裝有3個(gè)UWB基站(A1、A2、A3),外加一個(gè)標(biāo)簽(B0)裝備在手環(huán)中,模塊示意圖如圖3所示。

        圖3 模塊示意圖

        其基本的工作原理為:由小跟搬上固定位置的三個(gè)基站模塊(A1、A2、A3)發(fā)射信號(hào),位于手環(huán)上的標(biāo)簽(B0)接收到此信號(hào)后返回信息,用算術(shù)平均濾波法濾除出現(xiàn)的噪聲和不可靠信號(hào),并利用雙向飛行時(shí)間法計(jì)算得到標(biāo)簽與三個(gè)基站之間的幾何信息,完成距離數(shù)據(jù)的初步收集。可根據(jù)三個(gè)基站與標(biāo)簽B0的直線距離,利用勾股定理可得到手環(huán)和基站的水平高度差H(單位:m)。計(jì)算出水平差后,可根據(jù)主基站A1與手環(huán)的直線距離x1(單位:m)實(shí)現(xiàn)小跟搬自動(dòng)跟隨功能,而A2、A3輔助基站與手環(huán)的直線距離x2、x3(單位:m)則作為小跟搬的轉(zhuǎn)向判定,小跟搬主芯片通過(guò)PID算法進(jìn)行計(jì)算,調(diào)節(jié)控制電機(jī),最終實(shí)現(xiàn)小跟搬的跟隨和控制轉(zhuǎn)向功能。跟隨系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

        圖4 跟隨系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

        ■2.2 UWB定位算法

        2.2.1 測(cè)距算法

        UWB技術(shù)的測(cè)距原理大致有兩種,一種是飛行時(shí)間測(cè)距法,另一種是雙向飛行時(shí)間法。

        飛行時(shí)間測(cè)距法:主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)(Transceiver)之間飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)樵谝暰嘁暰€環(huán)境下,基于TOF測(cè)距方法是隨距離呈線性關(guān)系。

        雙向飛行時(shí)間法:設(shè)備A首先向設(shè)備B發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包,并記錄下發(fā)包時(shí)刻Ta1,設(shè)備B收到數(shù)據(jù)包后,記下收包時(shí)刻Tb1。之后設(shè)備B等待Treply時(shí)刻,在Tb2(Tb2=Tb1+Treply)時(shí)刻,向設(shè)備A發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包,設(shè)備A收到數(shù)據(jù)包后記下時(shí)刻值Ta2。

        飛行時(shí)間測(cè)距法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單,但是測(cè)距精度有所欠缺,并且設(shè)備約束比較嚴(yán)格,需要設(shè)備之間時(shí)鐘必須同步,所以采取雙向飛行時(shí)間法。

        首先將固定在小跟搬上的三個(gè)基站通過(guò)有線連接將時(shí)鐘同步,在手環(huán)上的標(biāo)簽B0利用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步,減小計(jì)算式的誤差值。

        當(dāng)小跟搬開(kāi)機(jī),并與智能手環(huán)匹配后,首先將各基站與標(biāo)簽時(shí)鐘同步,之后A1、A2、A3基站在Ta1時(shí)刻發(fā)送信號(hào),標(biāo)簽BO分別在Tt1、Tt2、Tt3時(shí)刻接收到,然后等待Treply(單位:s)時(shí)間后,標(biāo)簽T0再分別發(fā)送信號(hào)給基站,收到的時(shí)間為Tb1、Tb2、Tb3。由此,根據(jù)公式(1)(2)(3)就可分別計(jì)算出各個(gè)基站與標(biāo)簽之間的直線距離S1、S2、S3(單位:m)。

        (C 為光速,C約為3×108m/s)

        2.2.2定位算法

        當(dāng)小跟搬成功將基站與標(biāo)簽之間的直線距離測(cè)算出來(lái)后,首先進(jìn)行身高估算階段。小跟搬通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)小跟搬方向,使得A2、A3兩個(gè)輔助基站與手環(huán)標(biāo)簽的直線距離相等,如圖5定位算法所示。距離調(diào)節(jié)完畢后,因?yàn)橐阎「衢L(zhǎng)度為I(單位:m),寬度為W(單位:m),預(yù)設(shè)的跟隨距離為L(zhǎng)(單位:m),根據(jù)勾股定理可分別計(jì)算出各基站與標(biāo)簽的水平高度差h(單位:m),最后通過(guò)算數(shù)平均法計(jì)算得到小跟搬與手環(huán)的水平高度差H(單位:m)。

        圖5 定位算法

        公式(4)為已知小跟搬長(zhǎng)度I(單位:m)和預(yù)設(shè)跟隨距離L(單位:m),根據(jù)主基站A1與手環(huán)標(biāo)簽的直線距離S1(單位:m),計(jì)算得出A1基站預(yù)估的基站與標(biāo)簽的水平高度差h1(單位:m);

        公式(5)為已知小跟搬寬度W(單位:m)和預(yù)設(shè)跟隨距離L(單位:m),可算出輔助基站A2、A3與手環(huán)標(biāo)簽垂直投射的陰影距離X(單位:m);

        公式(6)(7)為已知基站A2、A3與手環(huán)標(biāo)簽垂直投射的陰影距離X(單位:m),根據(jù)基站與手環(huán)標(biāo)簽的直線距離S2、S3(單位:m),計(jì)算得出兩個(gè)輔助基站預(yù)估的基站與標(biāo)簽的水平高度差h2、h3(單位:m);

        公式(8)為將三個(gè)基站預(yù)估的水平高度差取其平均值,得到最終結(jié)果H(單位:m)。

        已知水平高度差后,通過(guò)讀取主基站A1與手環(huán)標(biāo)簽的直線距離來(lái)實(shí)現(xiàn)跟隨功能,兩個(gè)輔助基站的主要作用為計(jì)算標(biāo)簽與小跟搬的偏移角度,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

        2.2.3 角算法

        當(dāng)從避障模式切換回跟隨模式后,小跟搬與標(biāo)簽會(huì)出現(xiàn)較大的角度偏移,如果讀取出標(biāo)簽與小跟搬的偏移角度,就能很快重新控制電機(jī)使小跟搬回歸到跟隨模式的路徑中。如圖6所示為定位的俯視圖,A為手環(huán)標(biāo)簽,BC分別是兩個(gè)輔助基站的位置,AD為目前小跟搬與手環(huán)投影的直線距離,E為兩個(gè)輔助基站的中點(diǎn)。

        圖6 定位的俯視圖

        因?yàn)橐呀?jīng)算出了基站與標(biāo)簽的水平高度差H,根據(jù)勾股定理可算出AB、AC的長(zhǎng)度,BC為小跟搬的寬度,根據(jù)公式(9)(10)海倫公式就可以算出ABC的面積S(單位:m2),根據(jù)公式(11)則可以算出AD的距離,最后就可以計(jì)算出BD的距離,BD再與BE作差可得ED的距離,以此類推可推導(dǎo)出AE的距離,利用反三角公式(12)可得出∠EAD的角度。通過(guò)得到夾角∠EAD的大小即可得到標(biāo)簽與小跟搬的偏移角度,從而控制小跟搬按規(guī)定進(jìn)行偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

        3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

        ■3.1 數(shù)據(jù)測(cè)試

        為了檢測(cè)基站與標(biāo)簽之間的水平高度差和偏移角度的精度,設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)精度進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試,然后分析實(shí)驗(yàn)中所得實(shí)際數(shù)據(jù)與真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)的誤差。

        第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在水平地面上進(jìn)行,通過(guò)將預(yù)設(shè)跟隨距離分為0.5m、1m、1.5m,實(shí)際水平高度差分為0.5m、1m、1.5m后,在每種條件下進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn),計(jì)算出的標(biāo)簽與基站之間的水平高度差,并記錄下與實(shí)際水平高度差作差得到的實(shí)驗(yàn)誤差量,得到表1。然后將在每種條件下五次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)算出平均值后取絕對(duì)值,得到每種條件下的誤差數(shù)據(jù),繪制出如圖7所示的水平高度測(cè)量誤差趨勢(shì)圖。

        表1 不同條件下的水平高度差測(cè)量誤差量

        圖7 水平高度測(cè)量誤差趨勢(shì)圖

        第二個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試是將手環(huán)標(biāo)簽與基站放置在同一水平面上進(jìn)行,通過(guò)將手環(huán)標(biāo)簽與兩個(gè)輔助基站的垂直距離分為0.5m、1.0m、1.5m,實(shí)際偏移角度分為30°、45°、60°后,在每種條件下進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn),計(jì)算出手環(huán)標(biāo)簽對(duì)于輔助基站的偏移角度,并記錄下與實(shí)際偏移角度作差得到的實(shí)驗(yàn)誤差量,得到表2。然后將在每種條件下五次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)算出平均值后取絕對(duì)值,得到每種條件下的誤差數(shù)據(jù),繪制出如圖8所示的偏移角度測(cè)量誤差趨勢(shì)圖。

        表2 不同條件下的偏移角度測(cè)量誤差量

        圖8 偏移角度測(cè)量誤差趨勢(shì)圖

        ■3.2 誤差分析

        本次實(shí)驗(yàn)可以看出在平面上,計(jì)算基站與標(biāo)簽之間的水平高度差的誤差量會(huì)隨著預(yù)設(shè)的跟隨距離的增加而增加,其實(shí)際水平高度差對(duì)于誤差量的影響較小,但在可以接受的范圍內(nèi),并且對(duì)跟隨的影響較小。而在同一水平面上的計(jì)算偏移角度在±6°以內(nèi),在可接受范圍以內(nèi),并搭配上PID算法進(jìn)行調(diào)試,誤差即可得到有效控制。

        4 總結(jié)

        本文在研究智能跟隨搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)的背景下,所設(shè)計(jì)出的小跟搬采用了近年熱門的超寬帶(UWB)定位技術(shù),以此具備了抗干擾能力強(qiáng),穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),同時(shí)運(yùn)用了雙向飛行時(shí)間算法(TW-TOF)大大縮小了由模塊間的高度差所帶來(lái)的誤差,實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的跟隨,此外超聲波避障系統(tǒng)使小跟搬在復(fù)雜的地形情況能夠自動(dòng)避障達(dá)到了跟隨的精度要求。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)可知我們的技術(shù)方案是可行的,但對(duì)于該方案中的信號(hào)降噪技術(shù)仍需進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。

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