基于UWB的自主跟随行李箱的设计

刘启航 潘子淇 付若冲 田新志

摘要：针对机场，商场，酒店等平坦开阔地区，设计一款基于UWB的自主跟随行李箱，通过UWB基站与UWB标签实现行李箱的定位，依据位置信息决定行李箱的运动转向。STM32处理器控制行李箱电机的启停与转速，从而实现行李箱的自主跟随。实验结果表明，基于UWB的自主跟随行李箱，在较为开阔的地面上，可以选择让行李箱跟随主人行走;即使是在有少量障碍物的平地上且与标签距离较近的情况下，也可较好地跟随。

关键词：UWB定位;STM32 ;自主跟随;行李箱

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）23-0212-02

Abstract： Aiming at the flat and open areas， such as airport， shopping mall， hotel， etc.， a kind of autonomous following suitcase based on UWB is designed. The location of the suitcase is realized through the UWB base station and UWB label， and the movement and turning of the suitcase are determined according to the location information. STM32 processor controls the start， stop and rotation speed of the trunk motor， so as to realize the independent follow of the trunk. The experimental results show that the trunk can follow the owner on a relatively open ground， even on the flat ground with a small number of obstacles and close to the label.

Key words： UWB location; STM32; autonomous follow; trunk

1引言

隨着科学技术的发展，国内目前已经有很多的自主跟随产品，但这些产品很难实现对目标在各种环境精准且灵活的自主跟随，比如Rover的自动跟随机器人行李箱，采用的是机器视觉AI技术，这项技术通过机光线束，利用机器直觉抓取激光点云数据，这可以使Rover的自动跟随机器人行李箱紧紧灵活的跟随标签用户，但缺点也很明显，就是在光照强度大的室外会影响跟随，以及激光雷达被遮挡会无法跟随。还有使用超声波定位系统的自主跟随机器人，虽然定位精度良好，但超声波适用距离过短，且容易受温度的影响，还需要适用大量的基础设施，导致成本过高。反过来说，全球定位系统GPS已经发展应用的很成熟了，但GPS在室内非常容易受到室内环境的屏蔽影响，导致失效，在室内环境中存在非常严重的非视距干扰，导致无法进行有效的定位。还有通过蓝牙实现自主跟随功能的，但蓝牙在室外传输距离有限，受干扰较大。

针对以上等问题，为了实现更好的自主跟随，本文设计了一款基于UWB定位系统的自主跟随行李箱，实现快速精准的跟随使用者完成每日的出行任务。超宽带（UWB）技术具有传输速率高、穿透能力强、成本低等，可在室内外提供非常搞得定位精度等特点。因此使用UWB定位技术的来实现自主跟随功能，具有很大的实用前景。

2跟随原理

2.1跟随行李箱边长检测原理

自主跟随行李箱测量基站与标签的算法采用的双边双向测距法（DS-TW R），具体以基站0与标签1为例，基站0首先向标签1发出一个数据包，并记录下发包时刻T1，标签1 收到数据包后，记下收包时刻T2。之后标签1等待Treply时刻，在T3（T3=T2+Treply1）时刻，向基站0 发送一个数据包，基站0收到数据包后记下T4，基站0 在收到数据包后在T5（T5=T4+Treply2）向标签1发送数据包，标签1记录下接受得到的时间T6，如图1所示。

双边双向测距飞行时间计算方法，如式1所示。

假设设备 A 和设备 B 的时钟精度是 20ppm，1ppm 为百万分之一，那么 Ka 和Kb 分别是 0.99998 或者 1.00002，ka 和 kb 分别是设备 A、B 时钟的实际频率和预期频率的比值。设备 A、B 相距 100m，电磁波的飞行时间是 333ns。则因为时钟引入的误差为20*333*10-9 秒，导致测距误差为 2.2mm，可以忽略不计了。因此采用双边测距方式。

最后通过计算出的飞行时间Tprop乘以光速就可以计算出基站0与标签1之间的距离。

2.2行李箱跟随原理

首先将基站1与基站2固定在底座同一水平线上，两基站之间距离为30厘米，基站0固定在基站1与基站2水平线上中垂线上，具体如图2所示。

由双边测距算法可求出基站1与标签1的距离c与基站2与标签1的雨里b，以及基站0与标签1的距离d。

通过反余弦公式可算出角度θ以及角度α，通过对比角度的大小来控制行李箱的方向，通过距离d可以保持行李箱与标签1之间的距离。公式如式3所示。

3跟随行李箱总体设计

3.1硬件结构

自主跟随行李箱的控制器采用的是芯片为STM32F103RCT6的单片机，STM32F407是32位高性能ARM Cortex-M4 处理器，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，电源选用的是12V锂电池，基站（基站0、基站1、基站2）与标签选用的是UWB-S1 开发板，该开发板采用 STM32F103C8T6 单片机作为主控芯片，通讯速率高达6.8Mbit/s，工作频率在3.5GHz-6.5GHz之间。外围电路包括 DW1000芯片、电源模块、LED 指示模块、USB 通讯、USART 通讯等。该开发板既可作为基站，也可以作为标签，通过 USB/USART 指令进行切换。电机驱动为直流减速电机驱动器，电机为直流减速电机。

3.2硬件设计

控制器STM32F103RCT6主要控制小车的运动与基站之间的信息交互，12V锂电池为整个行李箱系统提供动力来源，UWB模块进行双向双边检测，提供给控制器位置参数，如图3所示。

3.3软件结构

自主跟隨行李箱软件主要有两大部分，分别是行李箱的运动控制程序和基站与标签的边长检测程序。

3.4软件设计

3.4.1行李箱运动控制程序设计

行李箱运动控制程序如图7所示，电源开始供电后，先进行所有硬件模块的初始化，初始化后进入判断程序，判断程序通过基站与标签检测的双边长度，计算出角度θ与角度α的大小进行判断，若角度θ-角度α>给定范围值，则发送融合指令“L”，即左转指令，若角度θ-角度α<给定范围值，则发送融合指令“R”，即右转指令， 若角度θ-角度α=给定范围值，则发送融合指令“W”，即前进指令。若基站0与标签检测距离低于给定值，则发送融合指令“S”，即停止指令。其程序流程图如图4所示。

3.4.2基站与标签的边长检测程序设计

在开开机基站初始化后，基站与标签开始互相发送数据包，基站开始进行双边双向检测，基站将测得的数据发送给控制器，由控制器中判断程序对数据进行处理、分析、判断。如图5所示。

4系统功能检测

测试场地分别位于室内外进行测试，室内温度20℃，室外温度25℃，空气质量均为优，将标签放在人身上，分别进行加速、减速、直行、左转、右转等动作，最终实验结果表明：基于UWB的自主跟随行李箱允许平稳，转弯行驶良好，未发生太大幅度的偏离路线，行李箱性能稳定。

5结语

上述所设计的基于UWB自主跟随行李箱，是在行李箱的基础上进行的改造，从而实现自主跟随，但要在人员密集的环境进行更好的自主跟随，还需要不断地测试，减少因环境影响而产生的边长检测的误差，进而做到在人员密集环境对目标对象更加实时准确的跟随，这样就可以使得行李箱在旅客的旅行过程中更加方便省力。

参考文献：

[1] 黄梦雨，秦建军，高磊，等.基于UWB的零转径跟随机器人控制系统设计[J].重庆理工大学学报（自然科学），2019，33（9）：142-150.

[2] 王春琦，冯大权，何春龙，等.基于UWB的增强非对称双边双向测距算法研究[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2019，33（1）：66-73.

[3] 王伟业，王仕敬，孙超付.自动跟随机器人[J].科技创新导报，2018，15（32）：83-85.

【通联编辑：朱宝贵】