基于UWB的自動(dòng)跟隨輪椅車(chē)研究設(shè)計(jì)

彭廣貴 王真 黃瑾霞 蔚卓義 駱佼

上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 上海 201620

引言

隨著社會(huì)老齡化問(wèn)題的逐漸加重和殘障人士等行動(dòng)不便人群比例的不斷提高，如何幫助老年人以及殘障人士更好地重新融入社會(huì)生活成為一個(gè)重要問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更加先進(jìn)的交通工具正在努力逐步改善人們的日常生活和出行方式，經(jīng)過(guò)我們?nèi)略O(shè)計(jì)的自動(dòng)跟隨輪椅就是其中之一。目前在自動(dòng)跟隨領(lǐng)域的產(chǎn)品很多，但大多數(shù)產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)用場(chǎng)景下的精確定位和對(duì)使用者的靈活跟隨。GPS定位制導(dǎo)僅限于戶外，且精度低，無(wú)法滿足使用者在鬧市區(qū)等人員密集場(chǎng)所的使用需求;藍(lán)牙信號(hào)位于2.4GHz的頻帶，具有時(shí)差的測(cè)距容易受到手機(jī)信號(hào)、Wi-Fi信號(hào)、無(wú)線鼠標(biāo)信號(hào)等普遍存在的信號(hào)的干擾，使測(cè)距不準(zhǔn)確，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法做到靈活跟隨；超聲波和激光定位系統(tǒng)可以做到在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確定位，但定位距離有較大的限制，且受周?chē)鷾囟群投嗥绽招?yīng)的影響較大。所以為了更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能，我們引入了UWB（Ultra Wide Band）無(wú)限載波通信技術(shù)。

設(shè)計(jì)的方案通過(guò)基于UWB超寬帶的無(wú)線載波通信技術(shù)，使用單片機(jī)來(lái)確定目標(biāo)位置和控制麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的跟隨運(yùn)動(dòng)，或可以通過(guò)輪椅車(chē)扶手上的按鍵控制輪椅車(chē)的運(yùn)動(dòng)和升降橫移，從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多車(chē)自動(dòng)跟隨、單車(chē)自主控制運(yùn)行，必要時(shí)能夠升降橫移、折疊的輪椅車(chē)。

1 自動(dòng)跟隨實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

基于UWB技術(shù)的輪椅車(chē)自動(dòng)跟隨系統(tǒng)由一臺(tái)主車(chē)與一臺(tái)從車(chē)組成，主車(chē)上的3個(gè)角的位置各有一個(gè)接收器，分別為原點(diǎn)、X軸和Y軸，單片機(jī)通過(guò)一定的算法來(lái)獲取用戶發(fā)射器與主車(chē)的相對(duì)位置，然后通過(guò)UWB無(wú)線載波通信技術(shù)，利用信號(hào)的飛行時(shí)間差來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)通訊模塊之間的距離，同時(shí)根據(jù)小車(chē)基站陣列的相對(duì)位置，以及標(biāo)簽與基站的相對(duì)距離，計(jì)算出手持標(biāo)簽與車(chē)載3個(gè)基站的距離后建立軸坐標(biāo)系，通過(guò)角度與距離算法求出標(biāo)簽的軸坐標(biāo)，然后換算為十字坐標(biāo)，再通過(guò)十字坐標(biāo)進(jìn)而得知x、y方向的步進(jìn)。再通過(guò)單片機(jī)控制麥克納姆輪轉(zhuǎn)向和移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨[1]。

2 小車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主控電路板、鋰電池、減速電機(jī)和底盤(pán)組成。

2.1 主控單元

小車(chē)主控板是基于STM公司的stm32f103rct6單片機(jī)，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，工作溫度在-40℃～85℃之間，該單片機(jī)在穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性上面都有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 電源模塊

小車(chē)使用9塊5300mAh的鋰電池并聯(lián)而成一個(gè)電池組，該電池為30C充足的放電效率也為小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力提供保證。使用多電池并聯(lián)方式可以保證任何一個(gè)電池故障而不影響整體，從而保證小車(chē)能夠正常使用，而單體電池做不到這一點(diǎn)，正常情況下可以使用240分鐘。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本方案使用電機(jī)為JGB37-520 直流減速電機(jī)，該電機(jī)自帶編碼器，速度慢，噪音小，容易控制；扭矩大，輸出平順。為小車(chē)的麥克納姆輪提供動(dòng)力，可以滿足承載20kg的重物設(shè)計(jì)。

電機(jī)規(guī)格參數(shù)：減速比90；空載電流≤12MA；空載轉(zhuǎn)速110rpm；額定轉(zhuǎn)矩10.0kg/cm；額定轉(zhuǎn)速85rpm。

2.4 底盤(pán)模塊

底盤(pán)使用2020鋁型材搭建主框架，滿足載重需求的同時(shí)，相對(duì)于鋼材料來(lái)說(shuō)質(zhì)量更輕，可以有效降低小車(chē)整體質(zhì)量，提高小車(chē)?yán)m(xù)航能力。

2.5 急停模塊

急停開(kāi)關(guān)適用于在緊急情況下直接斷開(kāi)控制電路的電源從而使電機(jī)快速停止設(shè)備避免非正常工作，本方案采用了3個(gè)LAS1-AGQ-11TS單斷點(diǎn)快動(dòng)觸頭開(kāi)關(guān)，分別于小車(chē)底盤(pán)兩側(cè)以及座椅后側(cè)各布置一個(gè)，開(kāi)孔尺寸19mm，外殼為鋁合金材料[2]。

3 麥克納姆輪設(shè)計(jì)

由于麥克納姆輪的每一個(gè)輪子都有自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以分別對(duì)六個(gè)麥克納姆輪進(jìn)行單獨(dú)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的控制，車(chē)體可以實(shí)現(xiàn)任意方位的移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)任意方位移動(dòng)的方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊輪軸的中心輪的原理上，在輪轂的周?chē)植贾S多的小滾子，小滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線和輪轂的軸線夾角45°，故輪子可以橫向滑移。當(dāng)麥克納姆輪繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾子的包絡(luò)線為圓柱面所以麥克納姆輪可以向前一直滾動(dòng)。而用四個(gè)麥克納姆輪加以組合，則可以使其實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)功能。

麥克納姆輪一般是成對(duì)使用的，且左旋輪和右旋輪的數(shù)量相等。本方案使用六個(gè)麥克納姆輪，三個(gè)左旋輪，三個(gè)右旋輪，其中有兩個(gè)作為中間支撐輪增加輪椅車(chē)的承載能力而不影響任意方位的轉(zhuǎn)向及移動(dòng)。左旋輪和右旋輪呈手性對(duì)稱，麥克納姆輪安裝方式有多種，主要分為：X-正方形、X-長(zhǎng)方形、O-正方形、O-長(zhǎng)方形。其中O和X分別表示的是四個(gè)輪子與地面接觸的輥?zhàn)铀纬傻膱D形；正方形和長(zhǎng)方形指的是四個(gè)輪子與地面接觸點(diǎn)所圍成的形狀。

4 升降橫移設(shè)計(jì)

為了方便老年人及殘障人士上下輪椅車(chē)，本方案增加升降橫移功能，當(dāng)需要使用輪椅車(chē)時(shí)，椅子能夠向前平移并且降低座椅高度，座椅高度下降方便上下輪椅車(chē)且將重心前移防止使用人坐上輪椅車(chē)瞬間的沖擊力造成后翻的危險(xiǎn)。還可以通過(guò)輪椅車(chē)的升降橫移實(shí)現(xiàn)折疊功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于UWB的主從跟隨處理系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了目前比較熱門(mén)的UWB室內(nèi)定位，UWB定位算法相對(duì)比較成熟，適用于類似于室內(nèi)這樣的使用要求精度較高的場(chǎng)所。而對(duì)于麥克納姆輪使用單片機(jī)各模塊的綜合應(yīng)用，則是運(yùn)用了麥克納姆輪能夠萬(wàn)向轉(zhuǎn)向的特性，和單片機(jī)髙集成度，髙可靠性和體積小的特點(diǎn)，充分滿足所需要的功能。通過(guò)單片機(jī)的控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的相對(duì)位置并做出相應(yīng)的避讓，讓安全性更上一層樓。這是一款能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)目標(biāo)相對(duì)位置并與麥克納姆全向輪結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨的輪椅車(chē)。