強化半自動定位與定向跟隨的全向智能移動裝置研究

湯君旸

自動跟隨旅客的智能行李箱等產(chǎn)品，基于無線互聯(lián)技術，存在定位和跟隨易受到外部環(huán)境影響、定位不夠精確、能耗高、移動不順暢等局限。分析原因，主要是無線互聯(lián)技術需要全方位搜索計算，而且無線互聯(lián)屬于空間無定域和弱定向選擇互聯(lián)，信號傳播與信號本身易受到干擾。為了改善自動跟隨裝置的上述不足，本項目利用超聲波技術，主要針對室內(nèi)應用領域，重點強化定位與定向跟隨性能，設計一種基于超聲波定位技術和全向輪速度調(diào)節(jié)強魯棒性PI算法的半自動定位與定向跟隨的全向智能移動裝置。

設計思路及方案

系統(tǒng)總體設計

為克服已有自動跟隨裝置的不足，更好地適用目標場景，確定本項目在傳感系統(tǒng)上采用分布式超聲波半自動定位與定向，控制系統(tǒng)采用強魯棒性PI算法，執(zhí)行系統(tǒng)采用高可靠性全向驅(qū)動輪組，設計出一種強化半自動定位與定向跟隨的全向智能移動裝置。

硬件設計和組裝

該裝置包括主人身上的1個超聲波發(fā)射器，以及設有4個接收傳感器、2個雙路大電流電機驅(qū)動器和3個帶直流電機的全向輪定位跟隨載體裝置。總體硬件結(jié)構如圖1所示。

·4個超聲波接收傳感器位于裝置的頂部，處于同一平面，以接收發(fā)射器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

·速度控制組件（2個雙路大電流電機驅(qū)動器，3個帶直流電機的全向輪組）得到發(fā)射裝置的準確位置坐標后，傳到位于中心的Arduino Mega 2560Rev3單片機，再采用強魯棒性PI控制算法，按全向輪速度偏差的比例（P）、積分（I）對接收的數(shù)據(jù)進行分析和處理，采用單片機控制PWM電路控制電機的速度，與主人保持同速。

·3個驅(qū)動馬達互成120°角，這種三角形結(jié)構可以保證整個驅(qū)動平臺以3組馬達環(huán)繞的軸心為中心做自身旋轉(zhuǎn)運動。全向輪組如圖2所示。

控制系統(tǒng)設計

超聲波定位算法

本裝置利用超聲波傳感器檢測到的發(fā)射器與4個接收器間（d1，d2，d3，d4）的距離，算出發(fā)射器相對于所建坐標系的空間坐標，從而進行定位跟蹤。

基于Robust PI算法的全向輪控制采用了強魯棒的PI算法（比例P、積分I），使環(huán)境的不確定性和參數(shù)變化對該閉環(huán)系統(tǒng)的影響盡量降低，其抗干擾能力、容錯能力較強。

外觀設計

裝置的木質(zhì)外殼使用激光切割機切割成型，用熱熔膠槍進行粘接，連接處由銅柱加固，外設開關和充電插口。圖3為外觀設計示意圖，圖4為實際裝置。

測試和結(jié)果分析

Robust PI算法的測試

為檢驗裝置所采用的Robust PI算法的有效性，將裝置與電腦連接。通過編程實現(xiàn)對裝置實際速度與理想速度的對比。先記錄裝置正常運動時的運動數(shù)據(jù)，再在全向輪旋轉(zhuǎn)時用手施加阻力以改變理想速度，觀察真實速度隨理想速度的變化。結(jié)果表明，理想速度不變時，實際速度圍繞理想速度上下很小幅度波動，但大體保持恒定。在理想速度突然變化時，實際速度馬上改變并圍繞理想速度上下很小幅度波動。以上實驗證明：裝置所采用的Robust PI算法對目標運動狀態(tài)的改變反應較為靈敏，能較好地適用于自動跟隨裝置。

超聲波定位算法的測試

為了測試超聲波定位系統(tǒng)的效率，提出了以下實驗：通過在裝置的頂部放置一個液晶顯示屏，顯示每個超聲波接收器和超聲波發(fā)射器之間的距離。然后，任意選取2個實際坐標結(jié)合顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)，代入超聲波定位算法進行計算，重復測試100次，得到計算的平均坐標。從實驗數(shù)據(jù)可知，平均總誤差在1.45%左右。實驗結(jié)果證明：超聲波定位算法足夠準確。

研究結(jié)論

通過以上測試驗證了本項目裝置有關算法有效，達到了研發(fā)的目標與預期效果。

能耗低 采用分布式超聲波半自動定位與定向的技術方案，使箱體隨著主人指引而被動跟隨，相較于需要全方位跟隨搜索計算定位的現(xiàn)有跟隨裝置而言能耗低。

精準度高、靈敏度強 超聲波技術定位，相對于紅外線、藍牙等無線互聯(lián)技術，穿透力強，定位精準度高。同時，由于采用1個發(fā)射器與4個接收器特殊組合，這種創(chuàng)新算法，定位更加精確。而且，指向定位、定向跟隨也會達到更好的抗干擾效果。

全向瞬時移動 采用3個智能全向輪組，對地面摩擦小，轉(zhuǎn)彎更方便，在遇到崎嶇不平的路面對其造成沖擊時，各全向輪均可以相對支架單獨或者同時沿豎直方向滑動，能夠適應路面的起伏，起到緩沖作用，減少運輸時的震動，實現(xiàn)任意方向上的瞬時運動，提高運動效率和靈活性。

自動調(diào)速 采用強魯棒性PI算法克服復雜不確定地面環(huán)境對裝置驅(qū)動運行帶來的不利影響，有效保持裝置的穩(wěn)定性，提高其抗干擾能力。同時，裝置在自動行走時，根據(jù)接收信號的強弱由單片機控制PWM電路控制電機的速度，與主人保持同速，避免箱體過快或過慢帶來的不便。

受環(huán)境影響小 由于采取智能全向輪組，使箱體轉(zhuǎn)動與移動更方便，能夠適應狹窄或不規(guī)則環(huán)境的行走。同時，采用強魯棒的PI算法也能提高其對復雜環(huán)境的適應性，提高抗干擾能力。

推廣性強 本項目裝置采用單片機設計，價格低廉，裝置簡單，成本低，易于維修，便于攜帶，經(jīng)濟實用，工作穩(wěn)定，具有很好的推廣性。

創(chuàng)新點

分布式超聲波半自動定位與定向利用超聲波的指向定位技術，設計了1個發(fā)射器向4個接收器發(fā)出超聲波信號，基于4個接收傳感器組合，并優(yōu)化計算結(jié)果精準定位的新算法及新跟隨控制系統(tǒng)，使箱體根據(jù)主人的指引被動跟隨，避免了現(xiàn)有智能移動裝置中自動跟隨的全方位搜索計算，達到了定位更加精準、更好控制、反應更快、抗干擾能力更強、更加節(jié)能的效果。

抗干擾強魯棒性PI控制算法 較普通PI算法驅(qū)動輪更能適應復雜地面環(huán)境，抗干擾能力更強，調(diào)節(jié)全向輪速度更加精確，能有效克服復雜環(huán)境對運動帶來的影響，并提高裝置的實用性與穩(wěn)定性，使之保持與主人同速。

高可靠性全向輪驅(qū)動 設計3個全向輪作為驅(qū)動輪組，3個驅(qū)動馬達互成120°角，對地面摩擦小，實現(xiàn)向任意方向瞬時運動，提高運動效率和靈活性。

小結(jié)

本項目裝置具有結(jié)構簡單、操作容易、攜帶方便、易于維修、成本低、推廣性強、受環(huán)境限制少的優(yōu)點，可以廣泛用于家用掃地機器人、自動跟隨行李箱、智能圖書館、貨品倉庫、智能駕駛、商場購物車、寵物防丟智能監(jiān)控跟隨等多個領域。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

項目提出了一種強化半自動定位與定向跟隨裝置，采用超聲波指向定位設計方案，利用4個接收器構成TDOA定位體制，目標定位、定向精度高;采用了魯棒Pl控制算法，目標穩(wěn)定性、抗干擾性能有了較大提升。但驅(qū)動系統(tǒng)的設計略有不足，地形適應不理想，建議采用六輪搖臂機構或履帶機構改善地形適應性。