强化半自动定位与定向跟随的全向智能移动装置研究

汤君旸

自动跟随旅客的智能行李箱等产品，基于无线互联技术，存在定位和跟随易受到外部环境影响、定位不够精确、能耗高、移动不顺畅等局限。分析原因，主要是无线互联技术需要全方位搜索计算，而且无线互联属于空间无定域和弱定向选择互联，信号传播与信号本身易受到干扰。为了改善自动跟随装置的上述不足，本项目利用超声波技术，主要针对室内应用领域，重点强化定位与定向跟随性能，设计一种基于超声波定位技术和全向轮速度调节强鲁棒性PI算法的半自动定位与定向跟随的全向智能移动装置。

设计思路及方案

系统总体设计

为克服已有自动跟随装置的不足，更好地适用目标场景，确定本项目在传感系统上采用分布式超声波半自动定位与定向，控制系统采用强鲁棒性PI算法，执行系统采用高可靠性全向驱动轮组，设计出一种强化半自动定位与定向跟随的全向智能移动装置。

硬件设计和组装

该装置包括主人身上的1个超声波发射器，以及设有4个接收传感器、2个双路大电流电机驱动器和3个带直流电机的全向轮定位跟随载体装置。总体硬件结构如图1所示。

·4個超声波接收传感器位于装置的顶部，处于同一平面，以接收发射器发送的数据。

·速度控制组件（2个双路大电流电机驱动器，3个带直流电机的全向轮组）得到发射装置的准确位置坐标后，传到位于中心的Arduino Mega 2560Rev3单片机，再采用强鲁棒性PI控制算法，按全向轮速度偏差的比例（P）、积分（I）对接收的数据进行分析和处理，采用单片机控制PWM电路控制电机的速度，与主人保持同速。

·3个驱动马达互成120°角，这种三角形结构可以保证整个驱动平台以3组马达环绕的轴心为中心做自身旋转运动。全向轮组如图2所示。

控制系统设计

超声波定位算法

本装置利用超声波传感器检测到的发射器与4个接收器间（d1，d2，d3，d4）的距离，算出发射器相对于所建坐标系的空间坐标，从而进行定位跟踪。

基于Robust PI算法的全向轮控制采用了强鲁棒的PI算法（比例P、积分I），使环境的不确定性和参数变化对该闭环系统的影响尽量降低，其抗干扰能力、容错能力较强。

外观设计

装置的木质外壳使用激光切割机切割成型，用热熔胶枪进行粘接，连接处由铜柱加固，外设开关和充电插口。图3为外观设计示意图，图4为实际装置。

测试和结果分析

Robust PI算法的测试

为检验装置所采用的Robust PI算法的有效性，将装置与电脑连接。通过编程实现对装置实际速度与理想速度的对比。先记录装置正常运动时的运动数据，再在全向轮旋转时用手施加阻力以改变理想速度，观察真实速度随理想速度的变化。结果表明，理想速度不变时，实际速度围绕理想速度上下很小幅度波动，但大体保持恒定。在理想速度突然变化时，实际速度马上改变并围绕理想速度上下很小幅度波动。以上实验证明：装置所采用的Robust PI算法对目标运动状态的改变反应较为灵敏，能较好地适用于自动跟随装置。

超声波定位算法的测试

为了测试超声波定位系统的效率，提出了以下实验：通过在装置的顶部放置一个液晶显示屏，显示每个超声波接收器和超声波发射器之间的距离。然后，任意选取2个实际坐标结合显示屏上显示的数据，代入超声波定位算法进行计算，重复测试100次，得到计算的平均坐标。从实验数据可知，平均总误差在1.45%左右。实验结果证明：超声波定位算法足够准确。

研究结论

通过以上测试验证了本项目装置有关算法有效，达到了研发的目标与预期效果。

能耗低 采用分布式超声波半自动定位与定向的技术方案，使箱体随着主人指引而被动跟随，相较于需要全方位跟随搜索计算定位的现有跟随装置而言能耗低。

精准度高、灵敏度强 超声波技术定位，相对于红外线、蓝牙等无线互联技术，穿透力强，定位精准度高。同时，由于采用1个发射器与4个接收器特殊组合，这种创新算法，定位更加精确。而且，指向定位、定向跟随也会达到更好的抗干扰效果。

全向瞬时移动 采用3个智能全向轮组，对地面摩擦小，转弯更方便，在遇到崎岖不平的路面对其造成冲击时，各全向轮均可以相对支架单独或者同时沿竖直方向滑动，能够适应路面的起伏，起到缓冲作用，减少运输时的震动，实现任意方向上的瞬时运动，提高运动效率和灵活性。

自动调速 采用强鲁棒性PI算法克服复杂不确定地面环境对装置驱动运行带来的不利影响，有效保持装置的稳定性，提高其抗干扰能力。同时，装置在自动行走时，根据接收信号的强弱由单片机控制PWM电路控制电机的速度，与主人保持同速，避免箱体过快或过慢带来的不便。

受环境影响小 由于采取智能全向轮组，使箱体转动与移动更方便，能够适应狭窄或不规则环境的行走。同时，采用强鲁棒的PI算法也能提高其对复杂环境的适应性，提高抗干扰能力。

推广性强 本项目装置采用单片机设计，价格低廉，装置简单，成本低，易于维修，便于携带，经济实用，工作稳定，具有很好的推广性。

创新点

分布式超声波半自动定位与定向利用超声波的指向定位技术，设计了1个发射器向4个接收器发出超声波信号，基于4个接收传感器组合，并优化计算结果精准定位的新算法及新跟随控制系统，使箱体根据主人的指引被动跟随，避免了现有智能移动装置中自动跟随的全方位搜索计算，达到了定位更加精准、更好控制、反应更快、抗干扰能力更强、更加节能的效果。

抗干扰强鲁棒性PI控制算法 较普通PI算法驱动轮更能适应复杂地面环境，抗干扰能力更强，调节全向轮速度更加精确，能有效克服复杂环境对运动带来的影响，并提高装置的实用性与稳定性，使之保持与主人同速。

高可靠性全向轮驱动 设计3个全向轮作为驱动轮组，3个驱动马达互成120°角，对地面摩擦小，实现向任意方向瞬时运动，提高运动效率和灵活性。

小结

本项目装置具有结构简单、操作容易、携带方便、易于维修、成本低、推广性强、受环境限制少的优点，可以广泛用于家用扫地机器人、自动跟随行李箱、智能图书馆、货品仓库、智能驾驶、商场购物车、宠物防丢智能监控跟随等多个领域。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

项目提出了一种强化半自动定位与定向跟随装置，采用超声波指向定位设计方案，利用4个接收器构成TDOA定位体制，目标定位、定向精度高;采用了鲁棒Pl控制算法，目标稳定性、抗干扰性能有了较大提升。但驱动系统的设计略有不足，地形适应不理想，建议采用六轮摇臂机构或履带机构改善地形适应性。