1. 研究目的与意义
研究背景：
随着科技和社会发展，自主跟随机器人越来越受到关注。目前，自主跟随机器人的技术难点之一就是定位，定位是机器人完成诸如路径规划、自主导航等复杂任务的前提，是移动机器人领域的研究热点。现有定位技术有gps、蓝牙技术、红外线技术、rfid技术、无线局域网络、超声波定位等。其中，gps是目前应用最广泛的室外定位技术，其优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。但gps接收机在室内工作时，信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度较低，所以不适用于室内定位;蓝牙、rfid定位技术虽然受环境干扰较小，但作用距离短，通信能力不强，不便于整合到其它系统中;红外线技术功耗较大，且常常受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较差，无线局域网络成本较低，但无论是用于室内还是室外定位，wifi收发器都只能覆盖较小范围，而且易受环境中其它信号的干扰，从而降低了精度，定位器能耗也较高;超声波定位精度可达厘米级，精度比较高，但超声波在传输过程中衰减明显，从而影响其定位有效范围，且成本较高。
uwb（ultra wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，其抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。冲激脉冲具有很高的定位精度,采用uwb无线电通信,可在室内和地下进行精确定位，而gps定位系统只能工作在gps定位卫星的可视范围之内。与gps提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置,其定位精度可达厘米级。
2. 研究内容和预期目标
主要研究内容：
1.设计并实现跟随控制电路最小系统；
2.采用arm嵌入式实现系统方案设计；
3. 研究的方法与步骤
研究方法：
机器人定位方式取决于所采用的传感器。移动机器人常用的定位传感器有里程计、摄像机、激光雷达、超声波、红外线、微波雷达、陀螺仪、指南针、速度或加速度计、触觉或接近觉传感器等。本设计采用DW1000传感器，通过UWB定位技术中的到达时间（TOA）定位算法，计算出人对于机器人的相对位置，实现机器人对人的跟随。
如图1所示，移动机器人在室内或室外环境中移动时，机器人上安装有3个DW1000传感器作为基站，人和机器人处在同样环境中，身上穿戴有一个DW1000传感器作为标签，假设人初始时刻已被机器人锁定。3个基站按等边三角形三个顶点位置固定在移动机器人上，用来发射UWB信号，标签接收到信号后，通过TOA算法可算出标签分别距3个基站的距离，并通过几何运算得到人相对于机器人的位置。
图1 系统结构框图
机器人和人所处的环境是三维空间，以机器人本身为参考系建立一个局部坐标系统。如图2所示，定义3个基站位置距离AB、BC、AC均为a；定义BC边上的高所在延长线为y轴，y轴正向与机器人自身的方向一致；3个基站构成的等边三角形AB边的中点为O（0，0，0）；标签坐标为M（x，y，z），其中z为标签到基站所在水平面的高度；等边三角形的中心为H。
根据3个基站到标签的距离，通过解析几何可以算出标签M在等边三角形所在平面的投影M点到等边三角形中心的距离：
L=MH=（d14 d24 d34-d12d22-d12d32-d22d32）÷（3a2）（1）
标签M在等边三角形所在平面的投影M′点与等边三角形中心H点的连线，即MH与y轴的夹角即方位角：
θ=∠MHA=arctan（3（d32-d22）÷（-2d12 d22 d32））（2）
由此，人的位置坐标可以表示为（L，θ），即确定出人相对于机器人的位置信息，所得位置误差范围在±100mm以内，位置信息基于机器人和人直接计算，不存在累积误差。
方案选择：
1.主控中央控制器选择
本系统MCU主控芯片STM32F103ZET是基于ARM的32位的cortex-M3架构的微处理器，最高72Mhz的工作频率，内置512K字节容量存储器以及高速SRAM，轻易满足电力无线网络系统所需要的空间，同时STM32F103具有睡眠、停止、以及待机3种低功耗的工作模式。具有优越的计算性能和中断响应系统。
2.无线模块选择
方案一:
ZigBee：具有低功耗、低成本、低速率、近距离的优点，但时延由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。数据速率比较低，在2.4GHZ的频段只有250Kb/S，而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/S，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。
方案二：
Wi-Fi：Wi-Fi是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。。
方案三：
UWB模块：UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为：在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。
由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输而在近年来得到迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄 带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途，从无线局域网到Ad hoc网络，从移动IP计算到集中式多媒体应用等。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优 点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网（WPAN）。
综上所述，结合本文设计所需以及各优缺点对比分析，选择方案三，即UWB模块。
3.定位方式选择
方案一：单面双向测距（SS测距）
设备A首先向设备B发出一个数据包，并记录下发包时刻Ta1，设备B收到数据包后，记下收包时刻Tb1。之后设备B等待Treply时刻，在Tb2（Tb2=Tb1 Treply）时刻，向设备A发送一个数据包，设备A收到数据包后记下时刻值Ta2。然后可以算出电磁波在空中的飞行时间Tprop，飞行时间乘以光速即为两个设备间的距离。
方案二：双面双向测距（DS测距）
DS测距是在SS测距的基础上再增加一次通讯，两次通讯的时间可以互相弥补因为时钟偏移引入的误差。假设设备A和设备B的时钟精度是20ppm（很差），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。因此双边测距是最常采用的测距方式。
通过比较，本设计采用DS测距作为测距方式。
研究步骤：
1.首先按照所查阅的文献，确定“服务机器人自动跟随系统设计与实现”详细实施方案，确定每个模块的具体结构、内容，这些主要表现在硬件方面，软件方面的重点在于如何定位、移动，主要解决如何定位的问题。
2.确定本设计所要实现功能和所需硬件模块。本设计需要提供一种采用超宽带定位、IMU惯性测量单元和无线射频通信模块来实现智能小车自动跟随与轨迹监测的系统装置。硬件部分包括主控制模块、IMU惯性测量单元、电机模块、舵机模块、超宽带定位模块、超声波模块、射频无线链路、接收终端。其中主控制模块包括主控制器、串行通信总线、SPI总线、I2C串行通信总线、脉冲控制线、电机控制线、舵机控制线、射频发送模块；超宽带定位模块包括定位标签、三个基站；接收终端包括射频接收模块、SPI总线、主控制单元、存储模块。
3.该设计分为左端和右端两部分，左端为标志位，右端为三基站定位的小车端。在该自动跟随的装置中，左端与IMU惯性测量传感器以及超宽带定位模块连接，右端与接收终端连接，其中是目标位置信息与接收终端数据的传输链；左部是小车姿态信息数据接收与发送方，右部是信息接收方，两端的转换控制由主控制模块进行处理。
4.超宽带定位模块通过定位标签与基站之间的脉冲测出电磁波在标签与基站间的到达时间，可以确定基站与目标的相对位置。IMU惯性测量单元可以测得小车的运动姿态、加速度与偏航角等信息，主控制模块通过空间几何算法确定目标位置，并通过滤波算法计算跟随路径，主控制模块5输出相应的电机与舵机的偏差量进行跟随。超声波模块将检测与侧面以及后方的障碍物，保持安全距离。射频发送模块将位置信息传输至接收终端。
5.本设计的智能小车的自动跟随装置利用超宽带定位与IMU惯性测量系统来跟踪目标，并辅以超声波避障，具有很高的定位和跟踪精度，存储的跟踪轨迹数据可通过上位机进行拟合与显示，完全满足服务业或专业玩家要求。
4. 参考文献
[1] 李圆双. 基于机器视觉的智能车跟踪系统研究与实现[d]. 中南民族大学, 2011.
[2] 王立功, 于甬华. 基于snake模型的图像目标轮廓自动跟踪方法[j]. 东南大学学报(自然科学版), 2003, 33(2):215-218.
[3]陈松, 宋晓琳. 基于dsp的智能小车路径跟随系统设计[n]. 工程设计学报, 2012年第19卷第4期.
5. 计划与进度安排
（1）2月25日~3月10日：收集资料，熟悉基本知识，掌握毕设基本设计原理。
（2）3月11日~3月20日：把握整体方案，深入研究设计原理，撰写开题报告。
（3）3月21日~4月30日：巩固计方法，开展各个功能模块具体设计，完成毕设初步设计。
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