基于基于UWB的智能跟随车导航定位算法研究的智能跟随车导航定位算法研究
针对目前市场上现有智能跟随车定位精度不足,提出一种基于UWB信号的定位算法。在智能跟随车的上方安置
两个固定基站,手持标签到两个基站的距离数据经过卡尔曼滤波算法的处理,利用三角函数进行计算,得出标
签到两个基站中点的距离和偏移角度,将距离和角度数据传送给电机控制模块,通过PID控制算法调节PWM
值,从而控制电机的转速和转向。实验表明,该方法能够实现标签定位的距离误差小于9 cm,角度误差小于
10°,使智能跟随车的定位更为精准。
0 引言引言
随着科学技术突飞猛进的发展,人们开始解放双手,更加注重设备的智能化和信息化。行李箱虽有轮子辅助可以替人们省
力,但也已经不能满足人们对智能化生活的更高需求,而智能跟随车使箱体具有自动跟随的功能,可以极大地减轻人们的负
担。目前虽已出现一些智能跟随车的控制方法
[1-4]
和定位方法
[5-9]
,但由于控制系统和定位精度的局限,基本都面临跟随效果
不理想、功能单一等问题。
本设计提供了一种智能跟随装置,具有更好的控制方法及定位算法,使智能跟随车可以更加安全有效地跟随主人,不会出
现丢失目标或者路径紊乱的情况。本设计提出了一种定位算法,在智能跟随车上方的两角分别固定一个基站,人手持移动标签
在两基站的前方,先由到达时间算法(Time Of Arrival,TOA)
[10]
得出标签到两个基站的距离,数据经过卡尔曼滤波处理,再利
用三角函数进行相关计算,以两个基站的中点为基准点,两个基站所在直线为基准线,得到手持标签到基准点的距离以及偏离
基准线的角度,再将所得的距离和角度测量值与实际值相比较并分析误差,预期结果为:距离误差不超过10 cm,角度误差不
超过10°。
1 系统总体设计系统总体设计
实验初期进行了一系列的方案选择,有单蓝牙方案、单红外方案、单433 MHz无线方案和单超声波方案,均被验证效果不
理想。最终采用了无线和蓝牙结合的方案。
系统总体设计及工作原理为:由手环发射信号,射频模块接收此信号,用低通滤波算法滤除噪声和不可靠信号,完成数据预
处理工作。图1所示为智能跟随车初步定位示意图,预处理信号通过TOA算法可以确定手环到两射频模块的距离,两射频模块
之间的距离固定,利用海伦公式和三角形面积相等原理,即得到手环与两基站所在直线的垂直距离h,并由高度补偿传感器得
到手环与射频模块的垂直误差X,由勾股定理即可算出手环与智能跟随车水平方向的直线距离L。至此完成对智能跟随车的初
步定位工作,整个过程中用低通滤波算法和卡尔曼滤波算法对数据融合,以尽可能减小误差。
初步定位信息结合九轴平衡传感模块和深度传感器不断反馈数据误差,经离散化比例积分微分(Proportion Integration
Differentiation,PID)算法
[11]
处理间隔为50 ms的数据,使智能跟随车始终处于稳定状态,完成跟随车的精确定位。精确定位
的信息结合避障模块、重力传感器的反馈信息在控制单元STM32模糊PID算法的控制下,对手环实际位置和智能跟随车的实际
路况信息进行融合、滤波以及规则分析,完成最优路径规划,此处采用的路径规划算法是最优解求解过程的粒子群优化算法
(Particle Swarm Optimization,PSO)
[12]
。
各模块信息最后也都要进行低通滤波和卡尔曼滤波处理,防止数据丢失,保证各模块的数据信息能够同步交给控制模块处
理。控制模块根据各模块反馈的数据信息来合理分配两电机的脉冲宽度调制值(Pulse Width Modulation,PWM),以不断地实
时控制电机的行进方向和速度,最终实现跟随车安全高效的跟随功能。
2 硬件设计硬件设计
智能跟随车的目标物为具有信号收发功能的手环。智能跟随车具有控制单元、避障模块、两个射频模块、高度补偿传感
器、重力传感器、深度传感器、平衡模块和驱动模块。车底盘的四角共设有4个避障模块,前后两端共设有2个深度传感器,
底盘的前端设有2个射频模块和1个高度传感器,底盘的后端设有1个平衡模块。其他部件也都设置在底盘上。硬件总体结构如
图2所示。
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