基于UWB技术的智能跟随讲解机器人

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(河南科技大学　河南　洛阳　471023)

随着机器人技术近年来的飞速发展，越来越多的领域开始将机器人投入使用，从工业、农业、医疗到服务业，各个领域都在发生着日新月异的变化，也给人们的生活方式带来了巨大改变。

一、背景

据新闻报道，近年来，一些博物馆、美术馆开始引进智能讲解机器人，来辅助或代替人工讲解，吸引了不少眼球。2016年4月，江苏徐州西汉南越王博物馆举办的春季特展中，穿着蓝白拖地汉服、身高1.4米的“蓝蓝”机器人在向过往游客介绍展品。“蓝蓝”是西汉南越王博物馆推出的第一代智能服务型机器人，可以沿着展厅文物参观路线不断移动，并且调整身体的姿势和脸的朝向与观众互动，并支持多种语言的讲解。此外，以新松机器人为代表的一系列机器人公司也不断推出了自家的讲解机器人产品，市场上该类产品的种类的数量不断丰富。由此可见，在博物馆、展览馆中使用机器人代替人工讲解已成为一种趋势和潮流。

二、智能跟随机器人的设计与技术应用

(一)创新设计

1.以跟随方式代替传统的提前规划路径方法，减少展前准备工作，灵活性、自由性更强，提升游客观展体验。

2.采用超宽频带(UWB)无线传输技术建立目标与机器人间的通信，基于时间到达法(TOA)实现对机器人的精确定位。

3.使用二自由度PID跟随控制算法，可实现对移动目标连续稳定的跟随。

4.通过RFID标签和射频技术，能够以较低成本实现对展品的识别和定位。

(二)超宽带(UWB)定位技术

超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。

超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，十分满足本次设计所需。

(三)基于接收信号到达时间法(TOA)的应用

基于接收信号到达时间法是通过计算发射信号与参考节点处接收信号的时间信息来得出节点间的距离信息。在该测距定位方法中，如果可以使子节点和参考节点严格公用同一时钟，则很容易可以由参考节点处的时间检测从而得出信号传播时间，从而得到距离信息。对单个路径环境中AWGN(加性高斯白噪声)下的信道环境，TOA非常适合于带宽极宽的UWB定位技术。在AWGN噪声下，估计方差的下限可利用Gramer-Rao下限给出：

其中SNR是信噪比，β是有效信号带宽，可以下式表示。其中，S(f)表示发射信号的功率谱密度。

UWB无线信号应用基于接收信号的时间技术可以实现非常精确的定位。根据FCC的规定，室内的UWB通信系统实际使用频谱范围在3.1GHz-10.6GHz之间，如果脉冲超宽带信号在SNR=0dB的情况下可以完全有效的利用这一频率范围，定位误差将会达到厘米级。由于基于时间的测距技术具有以上优点，本设计采用的定位方式即为精确的TOA测距定位技术。

(四)离线语音系统应用

离线语音系统是指将特定的语音信息储存到机器人内部存储空间，当外部传感器接收到特定信息，主控制器根据信息内容将其对应的语音信息播放出来。离线语音系统无法与游客实现语音交互，但由于无需接入互联网，在任何情况下都可以使用，而且反馈的语音信息可自由定义，可根据传感器设置不同的触发条件，简单易用，降低了系统复杂度和成本。

讲解机器人一般需要活动的范围较大，且一般应用于室内环境，并不能保证其时刻接入互联网。另一方面，展馆内人流数量较大，环境嘈杂，不利于实现语音交互。因此，本设计选用离线语音系统作为讲解机器人的讲解方案，机器人只需对展品进行范围性定位，当机器人进入某展品范围，则触发相应展品的语音控制信号，讲解机器人通过讲解将展品介绍信息传递给游客。

三、硬件系统设计

首先将UWB模块的标签分别安装在机器人的左右方，使之能够几乎不失真的获得左右轮子与人之间的位置信息。通过主控制器经一定的算法处理后，能够计算出轮子与跟随目标之间的角度信息与距离信息，这些信息再由主控进行二自由度PID算法后，实时对电机驱动发出相应的信号，从而实现电机的调速、稳定、可靠跟随。系统的整体设计框图如下图所示

系统整体设计图

(一)UWB定位模块的选取

为了实现超宽带信号的发送与接收，定位模块的选取是十分重要的。综合考虑,本次设计选用DecaWAVE公司推出的DW1000芯片。下面对DW1000进行介绍。

●DW1000允许在室内实时定位系统(RTLS)中，使对象位置精确到10cm，即使物体移动速率高达5m/s。

●允许高数据率通信，能够达到6.8mb/s

●外加接受装置后接收范围能够达到290m

●在多径干扰下依旧可以具有可靠通信

●低功耗

(二)信号处理芯片的选取

DW1000之间进行通讯需要占据大量的带宽和运算负载，若只使用一个核心处理器来处理各个DW1000间的原始数据，将严重影响系统工作效率。因此本设计将每个DW1000原始数据首先传入一个子处理器，子处理器使用TOA算法将原始数据换算成距离，再与连接主处理器的UWB标签进行通信，由标签将距离信息传输至主处理器。本次设计我们选择的是STM32F103RDT6作为子处理器，它具有32位数据处理的能力，64KB的RAM,384KB的FLASH，处理性能优越。

(三)电机控制电路

由于机器人的笨重，需要采用大功率电机，对电机驱动模块要求很高，一般电机驱动芯片无法胜任，因此我们选择了L298N模块来进行电机驱动的设计。

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。本文设计的跟随机器人中采用的是带速度反馈的直流电机。

(四)稳压电路的设计

由于给电机供电的DC锂电池使用时电压下降幅度很大，导致电机转速不稳定，另外杂波脉冲也会对主控芯片产生干扰，因此设计稳压电路是极其必要的。针对本设计，我们选择以LM2596为稳压芯片搭建稳压电路。

LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。

(五)射频读写电路

一个典型的RFID 系统工作的流程大致为读写两个部分：由读卡器读取标签和向标签中写信息，其中读写的信息最终都发送到上位机系统中。读取标签信息时，标签进入读卡器的工作范围，通过电感耦合或者电磁波的反向散射获取能量；上位机发出读取标签指令信号给读卡器；读卡器将其存入微控制器中，由程序控制射频芯片发送读取数据的命令给标签；标签根据接收到的读数据命令信号将存储单元中指定的数据，以负载调制或者反向散射调制的方式，通过天线发送到读卡器；读卡器再将数据发送到上位机系统。向标签中写信息时，过程类似。上位机将程序下载到微控制器，控制读卡器射频芯片发送向标签写数据的指令；得到响应之后，以一定的方式将数据写到所设计标签的相应存储单元。

本设计中，首先向RFID标签写入展品编号等识别信息，将其固定到相应展品上，作为展品的识别标签；当RFID读卡器进入展品范围，将通过电磁波将相应标签激活，进而读取到展品身份信息；最后经由读卡器与主控制器间的通信网络，将读取到的数据发送至主控制器处理。

(六)音频播放电路

本设计采用集成音频储存、解码、功放、输出一体化集成音频模块，该模块是一个提供串口控制的MP3模块，集成了MP3、WAV的硬解码，同时软件支持USB/TF驱动，支持FAT16、FAT32文件系统。通过简单的串口指令即可完成播放指定的音频文件，模块自带MicroSD和USB接口，用于存储音频文件。该模块通过串口与主控制器进行通信。当主控制器接收到射频模块读取到的信息，则根据读取内容向与音频模块连接的串口发送播放控制指令。

四、系统的性能分析

评价跟随机器人跟随效果的好坏，可以从跟随运动的响应速度、运动的平稳性、与跟随目标的偏差三个方面来进行考虑。

响应速度：机器人的控制指令由TOA算法测得距离值和两侧距离差决定，通过定时器中断以一定频率发送控指令，发送频率过低会降低响应速度，比如当游客开始运动时，机器人会延迟一会，然后执行跟随动作。若控制指令发送频率过高，则会导致机器人动作过于灵敏，抗扰动能力较差。

运动平稳性：运动平稳性又可以理解为机器人运动时运动路径的平滑性，该性能指标一方面受控制指令发送频率影响，另一方面与PID控制参数的设置有关，比如当某PID参数的阶跃响应在目标值附近产生振荡，则机器人的跟随运动路径为迂回曲线，而不是直线或平滑曲线。

跟随目标偏差：跟随偏差是指机器人运动时与跟随目标总是存在横向距离差，导致该偏差的原因可能是基站时钟信号没有同步，另一个可能原因是PID参数不当导致阶跃响应存在静态误差。

此外，上述性能指标也会受到外界因素的干扰，比如UWB信号受到其相近频率信号干扰、机器人与跟随目标之间间隔物体导致对信号传输的影响等，当机器人与跟随目标的固定跟随距离设定过大，则更容易受到信号阻挡；距离过小则有可能使机器人发生碰撞。

五、设计总结

讲解机器人逐渐取代人工讲解已成为一种趋势，并逐渐向多样化、智能化的方向发展，越来越多的博物馆、展览馆将讲解机器人投入到实际场景中应用，机器人企业也推出了越来越多讲解机器人的商业化产品，但对于该类机器人的改进和研究还远远不够。我们团队创新性地提出了跟随型讲解机器人设计方案，将高精度的目标跟随技术融入讲解机器人。基于UWB技术实现高频通信，对机器人本体进行相对定位。UWB技术以其系统容量大，高速的数据传输，分辨率强，隐蔽性强，定位精确，抗干扰能力强，低成本、低功耗等优点，在基于无线通信的室内定位技术中较为出色；根据机器人的相对位置信息，使用二自由度PID算法来控制电机，使运动系统表现出较好的速度跟踪响应和负载调节响应；使用射频技术和RFID标签实现低成本的物体识别定位方案；为了使机器人适应不同场景下的解说任务，采用科大讯飞的语音合成技术生成解说内容，可随时对内容进行修改完善，提高布展效率。电路设计方面，为了得到更好的线性和负载调节特性，我们采用降压型电源管理单片集成电路LM2596开关电压调节器输出3A的驱动电流；为了解决底盘及电机负载较大的问题，我们选择了L298N模块来驱动大功率电机的设计；为了实现超宽带信号的发送与接收，我们选用DecaWAVE公司推出的DW1000芯片，用于增加数据传输的可靠性及实现机器人的精确定位。

我们团队研制的这套智能跟随系统可实现连续、稳定的目标跟随，该方案不仅可以用于解说机器人，只需稍加改装同样可以用于其它设备的智能控制，例如平衡车，智能轮椅，智能代步车等，应用场景广泛。在不久的将来，随着智能技术的不断改进，这套智能跟随系统将会有更加长远的发展，我们也将对所设计的智能跟随讲解机器人进行进一步的完善。