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基于UWB技术的自动跟随旅行箱
叶家业 黄文浩 何永乐 钱振明
(佛山科学技术学院 广东 佛山 528225)
[摘要]为了解决人们日益增长的出行需求与行李过多与过重不便的矛盾,本文提出基于UWB技术的自动跟随旅行箱设计方案,使用
UWB模块分别测得旅行箱搭载的两基站到用户携带的标签之间的距离,将距离数据传至旅行箱内的主控芯片上,通过算法最终得到用户的
坐标,借助模糊PID控制器芯片继而控制电机运转,使旅行箱移动,除此之外,其还集成了超声波避障等功能。
[关键词]自动跟随;超宽带;定位技术;智能旅行箱
[中图分类号];[文献标识码]A
随着社会交流的日益频繁,外出旅行成为人们工作、生活不可声,提升系统的鲁棒性。最后,将坐标数据输入到模糊PID控制器中[3]。
或缺的一部分。如果能够使旅行箱做出自主跟随的行为,
低劳动强度,解放人们的双手。基于此,本文设计了一套基于超宽带它利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优
(UltraWideBand,UWB)技术的可以实现自动跟随功能的智能行李箱化,这样可以自适应地调整PID中的Kp、Ki、Kd三个参数,相应地输出
方案。UWB,是一种无载波通信技术,利用纳秒至微秒级的非正弦波旅行箱相应的实时速度及加速度,如此进行电机控制,最终实现行李箱
窄脉冲传输数据,并使用超声波测距感知周围环境并完成避障功能。平稳地自动跟随用户移动。总之,模糊PID算法使用模糊算法实时动态
本方案实现了行李箱智能跟随、避障等功能,实际可以看作是智能移地做PID参数整定,最终的控制器输出依然是由PID控制器来实现的[4]。
动机器人在旅行箱应用场景中的定制化案例。
1总体系统设计在现实生活中有时候会遇到复杂的地形及密集的人群,因而跟随
,本设计采用超
声波模块US-100实现避障功能。当行李箱行进途中遇到障碍物,声波
自动跟随旅行箱系统总体设计主要包括:硬件主控板、UWB定位
会进行反射,利用声波发射与接收之间的时间差,联立方程组即可解
系统、电机驱动模块、超声波避障模块。
出旅行箱与障碍物的实际距离。虽然超声波的感应速度和精度稍逊色

于红外光,远距离测距处于劣势,但本设计中跟随行李箱只要求近距
用户所携带的UWB标签与旅行箱搭载的UWB模块进行实时通信,
离避障功能的实现即可。
从而通过算法得到用户到旅行箱之间的距离(角度)数据,进而得到

用户的坐标数据。接着,STM32F4系列主控芯片再将用户的坐标数据
A4950T设计用于直流电机的脉冲宽度调制(PWN)控制,提供输
作为模糊PID控制器的输入,经过计算得到的相应输出为电机的速度和
入端子,用于通过外部的PWN控制信号控制直流电机的速度和方向。
加速度,结合PWM控制电机即可实现相应的跟随功能。超声波模块则
[1]此外A4950T驱动模块系统尺寸小,外围电路简单。
根据超声波测距原理,在测得前方障碍物距离过近时避开障碍物。
通过对控制模式配置以及占空比设置由主控芯片控制驱动模块,
2系统设计
从而实现跟随旅行箱的运动状态。

3测试结果
本设计以STM32F4系列芯片为主控芯片。STM32F4系列芯片主要
针对目标跟随进行功能测试,在跟随过程中,当行李箱与用户之
控制旅行箱箱体上所有设备,实现基站和各种设备间的通信、电机转
间的距离小于1m,行李箱自动减速等待在原地,当距离大于1m,行李
动控制、进行数据处理等功能。
箱跟随速度随之增加,直到用户在1m内停止。

针对避障功能进行测试,当行李箱检测到前进的方向有静止障碍
UWB定位系统由两个部分构成:电源供电的UWB定位标签、位置
物时,向左、向右转动,避开障碍物,如果有障碍物则再次避障,直
信息处理及定位。自动跟随功能是整个系统的核心。本设计采用基于
到绕开障碍物[5]。
Decawave公司的DW1000芯片设计的UWB模块DWM1000,支持双程测
距和TDOA定位。用户携带信号接收器作为UWB标签,用以接收终端上4总结
搭载的两个UWB基站发射的超宽带信号,最终定位导航终端与用户之本文基于DWM1000芯片,设计了UWB定位系统以及双向测距算
间的相对距离和角度,继而通过算法求出相对应的角度[2]。法,从而实现了旅行箱的自动跟随,实时超声波避障等功能,达到预
。
此处采用双边测量方法,即TW-TOF,是在单边测距的基础上再参考文献
增加一次通讯,两次通讯的时间共同弥补因为时钟偏移引入的误差。[1]李传明,崔更申,尹鹏,[J].
基站发送的测距信息经标签收到,标签继而发出测距信息,基站回计算机测量与控制,2015,023(010):3370-3372,3376.
复,求取相应的飞行时间的均值,提高测距精度。[2]丁锐,钱志鸿,

[J].电子与信息学报,2010,32(2):313-317.
系统通上电源后,可选择是否进入跟随模式,若是,则开启测距[3]牛秦玉,李珍惜,王智超,
功能,此时UWB1000模块将不断传回相应的距离信息,继而采用双边化[J].机械传动,2019,(2):129-136.
定位算法,即已知基站到用户,基站到基站之间的距离信息,根据平[4]刘少伟,曾洁,王得胜,
面几何知识,通过余弦定理可求得标签C到基站A和基站B的中线长度策略研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2019(1):50-54.
及角度即可获取用户坐标。[5]魏琳,刘涛,徐彪,
进一步,对所计算出的距离和角度做卡尔曼滤波,以抑制跳变噪真[J].客车技术与研究,2019(2):23-24,33.
作者简介:叶家业(2000-),男,本科,学生,研究方向:嵌入式开发。
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