CN116573023A - 一种基于uwb定位的自动跟随露营载物车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，其特征是：它由中央控制单元1、超声波传感器2和红外线传感器3组成的避障模块、驱动模块4、制动模块5、警报模块6、跟随模块7、载重感应模块8、车体9以及可穿戴式人机交互界面(被跟随用户端)10组成。跟随模块搭载有三个母UWB基站，将子UWB标签安装在被跟随用户端上；避障模块采用超声波雷达与红外线传感器相结合，以多传感器信息融合的方式对露营载物车行进路径上的障碍物进行监测；载重感应模块用于防止露营载物车超过核定载重上限。本发明可适用于不同人群，用于解放人们的双手，提高生活乐趣和劳动效率，可广泛用于户外露营及日常搬运等生活场景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及生活设施技术领域，尤其是一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车
(二)背景技术
随着现代生活质量的不断提高，智能轻便户外露营的市场逐渐扩大，专业露营者与普通家庭对于产品的多元化需求也逐渐增多。露营载物车作为一种方便用户携带户外露营用品的载物工具，其便利性、安全性、功能性往往成为家庭的关注点。目前市场上的露营载物车大多为人力驱动，长时间的推行十分困难，往往使操作者没到营地就感觉劳累。偶有露营载物车想要停靠或在路上休息时发生滑动，承载物体超过露营载物车载重上限导致车体损坏等情况。因此需要提出新的技术解决方案，减轻操作者体力负担的同时保证露营载物车的行驶及载重安全性。
目前市面上的自动跟随机器人等设备大多是定制化产品，大部分是基于GPS、蓝牙、超声波、红外、视觉图像或者激光雷达等技术。尽管已有多种多样的定位跟随技术，但都有着明显的缺陷。GPS技术易受建筑物的影响且在室内无法使用，在近距离跟随定位方面仍然存在定位精度差的问题；蓝牙技术作用距离有限，通信能力差，整合到其他***难度较大；超声波技术会出现在传输过程中其信号不断衰减的现象，将导致无法锁定目标从而产生偏离而失去定位，红外技术受墙体或障碍物阻隔时信号强度低、实用性差；视觉图像技术的计算量往往过于庞大且对于具有相似特征的图像往往难以准确判断。
本发明利用UWB定位技术不受环境、遮挡影响，抗干扰能力强，精度高，部署成本低等特点，通过UWB定位技术及马达驱动转向实现露营载物车对目标的自动跟随。UWB技术占用从Hz到GHz的较宽频谱范围，与上述定位跟随技术相比有着更强的抗外界干扰能力，还保持着功耗低、精度高的优势。
本发明采用将UWB定位技术和超声波雷达、红外线传感器相结合的感知跟随避障方案，具有定位范围大、跟随效果好、避障功能灵敏的特点；用户在使用时可通过可穿戴式人机交互界面设定跟随距离，查看跟随载物车的实时续航里程、电量、跟随速度、载重重量等值；露营载物车在检测到不安全行驶环境或车体超载时都将发出警报；本发明设计适应不同人群使用，解放人们的双手，比传统设计提高了人机交互体验，在提高劳动效率的同时增添了趣味性；
(三)发明内容
本发明提出一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，能利用UWB定位技术不受环境、遮挡影响，抗干扰能力强，精度高，部署成本低等特点，通过UWB定位技术及马达驱动转向实现露营载物车对目标的自动跟随和智能避障。
本发明采用以下技术方案。
一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，其特征在于包括车体、中央控制单元、跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块和可穿戴式人机交互界面；所述中央控制单元、跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块分别安装在所述车体上，所述可穿戴式人机交互界面安装在被跟随用户端上并通过蓝牙与中央控制单元进行数据交换；
所述的避障模块内置有超声波雷达和红外感应雷达，以多传感器信息融合的方式对露营载物车行进路径上的障碍物进行监测，当检测到露营载物车周围有障碍物时，所述的避障模块将检测信息传送给所述的中央控制单元，中央控制单元计算出与障碍物的相对时速并判断是否为活体障碍，进而向驱动模块和制动模块发送相应信号，中央控制单元同时判断是否控制警报模块进行工作；所述警报模块与中央控制单元相连，内置蜂鸣器，在避障或超重时用于提醒用户。
所述的中央控制单元分别与所述的跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块连接，所述的中央控制单元用于接收、定期保存并处理数据，并将处理后的数据发送给相应的执行机构。
所述的跟随模块用于与所述的子UWB标签进行实时通信，获取所述的UWB标签相对于露营载物车坐标系原点的实时XY坐标数据，并将所述的实时XY坐标数据以CAN信号形式传递给所述的中央控制单元；
所述载重感应模块与中央控制单元相连，用于将质量信号转化为电信号，并实时报告给中央控制单元，当检测到载重超过车体载重极限时中央控制单元控制警报模块工作；
所述避障模块与中央控制单元相连，内置超声波雷达与红外线传感器，以多传感器信息融合的方式对露营载物车行进路径上的障碍物进行监测，所获取信息经由中央控制单元处理，并进一步控制避障模块和警报模块进行工作。
所述驱动模块与中央控制单元、转向电机、伺服电机相连，转向电机输出的动力带动助力泵，由助力泵将液压助力油加压，再通过横、直拉杆实现动力转向。私服电机用于精确控制露营载物车的增减速。
所述制动模块包括舵机和制动液压缸，所述的舵机用于拉动所述的制动液压缸，向所述的制动液压缸提供制动力，并将制动力传递至制动卡钳，所述的制动卡钳安装在所述的前轮上；
所述中央控制单元通过测量脉冲信号在子UWB标签与跟随模块间的往返飞行时间进行定位；具体为子UWB标签向跟随模块发送测距请求，跟随模块在接收到子UWB标签发送的信号后，向子UWB标签回复确认信息。利用TOF飞行时间法分别记录请求端信号发送和接收之间的时间间隔与接收端信号发送和接收之间的时间间隔，那么信号在空中的单向飞行时间T可以表示为：
根据信号在空中的单向飞行时间T与电磁波传播速度c的乘积可以得到子UWB标签到跟随模块之间的距离d为：d＝c×T；
本发明的有益效果是通过高精度UWB定位技术实时定位被跟随用户所在的目标位置，从而计算出露营载物车相对目标位置的方向，通过电机驱动，实现露营载物车对用户的自动跟随功能。并通过避障模块和载重感应模块、警报模块增加了露营载物车的行驶安全性和车体自身承重的安全性，用户通过可穿戴式人机交互界面查看和设置露营载物车参数的设计则增加了人机交互的娱乐性。
本发明在被跟随目标减速或停止运动期间，露营载物车减速缓慢地向被跟随目标前进，当被跟随目标重新运动时，露营载物车重新对被跟随目标进行跟随。即使被跟随目标出现了由于某些原因中途停顿的情况，露营载物车也能继续行驶，这样不仅提高了跟随效率，还使得露营载物车的制动次数大大减少，从而提高了露营载物车的续航里程，节约能源，在提高跟随过程中安全性的同时，又增强露营载物车与被跟随目标的交互性。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是露营载物车整体示意图；
附图2是本发明各主要组成部分之间的连接关系示意图；
附图3是露营载物车跟随目标时的工作流程示意图。
(五)具体实施方式
如图所示，一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，其特征在于包括车体、中央控制单元、跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块和可穿戴式人机交互界面；所述中央控制单元、跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块分别安装在所述车体上，所述可穿戴式人机交互界面安装在被跟随用户端上并通过蓝牙与中央控制单元实现数据交换；
一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，用于在室内户外场景实现智能跟随。所述露营载物车包括搭载有跟随模块的车体；所述工作方法包括设于所述车体处的包含三个母UWB标签的跟随模块和设于被跟随用户端的子UWB标签；所述子UWB标签和跟随模块进行实时无线通讯数据交换；位于车体的中央控制单元在处理UWB通讯返回的信息后进行定位；所述中央控制单元根据定位信息计算子母UWB标签间的相对位置，进而控制跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块，实现控制露营载物车的移动，使露营载物车与被跟随用户端的距离保持在设定阈值范围内；所诉载重感应模块内置于所述车体内，当载重超过车体载重极限报告给中央控制单元，进而控制警报模块工作；所述警报模块在避障和超重时工作，用于提醒用户或误入跟随路径中的行人；所述可穿戴式人机交互界面设置于被跟随用户端，所述可穿戴式人机交互界面可实时展示露营载物车的实时续航里程、电量、跟随速度、载重重量等值，并可以设置跟随距离阈值；
所述的避障模块内置有超声波雷达和红外感应雷达，以多传感器信息融合的方式对露营载物车行进路径上的障碍物进行监测，当检测到露营载物车周围有障碍物时，所述的避障模块将检测信息传送给所述的中央控制单元，中央控制单元计算出与障碍物的相对时速并判断是否为活体障碍，进而向驱动模块和制动模块发送相应信号，中央控制单元同时判断是否控制警报模块进行工作；所述警报模块与中央控制单元相连，内置蜂鸣器，在避障或超重时用于提醒用户。
所述的中央控制单元分别与所述的跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块连接，所述的中央控制单元用于接收、定期保存并处理数据，并将处理后的数据发送给相应的执行机构。
所述的跟随模块用于与所述的子UWB标签进行实时通信，获取所述的UWB标签相对于露营载物车坐标系原点的实时XY坐标数据，并将所述的实时XY坐标数据以CAN信号形式传递给所述的中央控制单元；
所述载重感应模块与中央控制单元相连，用于将质量信号转化为电信号，并实时报告给中央控制单元，当检测到载重超过车体载重极限时中央控制单元控制警报模块工作；
所述驱动模块与中央控制单元、转向电机、伺服电机相连，转向电机输出的动力带动助力泵，由助力泵将液压助力油加压，再通过横、直拉杆实现动力转向。私服电机用于精确控制露营载物车的增减速；所述制动模块包括舵机和制动液压缸，所述的舵机用于拉动所述的制动液压缸，向所述的制动液压缸提供制动力，并将制动力传递至制动卡钳，所述的制动卡钳安装在所述的前轮上；
所述中央控制单元通过测量脉冲信号在子UWB标签与跟随模块间的往返飞行时间进行定位；具体为子UWB标签向跟随模块发送测距请求，跟随模块在接收到子UWB标签发送的信号后，向子UWB标签回复确认信息。利用TOF飞行时间法分别记录请求端信号发送和接收之间的时间间隔与接收端信号发送和接收之间的时间间隔，那么信号在空中的单向飞行时间T可以表示为：
根据信号在空中的单向飞行时间T与电磁波传播速度c的乘积可以得到子UWB标签到跟随模块之间的距离d为：d＝c×T；
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，用于在室内户外场景实现智能跟随。如图1所示，包括车体、中央控制单元、跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块和可穿戴式人机交互界面，所述中央控制单元、跟随模块、避障模块、制动模块、驱动模块、载重感应模块、警报模块分别安装在所述车体上，所述可穿戴式人机交互界面安装在被跟随用户端上；
实施例1中，用户在搬运货物的场景中，只需将货物放入车体载货仓内，激活设备后，自动跟随露营载物车便会跟随用户按设定的跟随距离运动；在跟随阈值内，接近露营载物车时车体保持原地不动，离开阈值范围时露营载物车跟随用户运动。
实施例1中，在露营载物车进行跟随任务时，若在跟随路径中出现障碍，露营载物车会判断此障碍是否为活体，若是活体障碍时露营载物车原地待命并发出警报，若是非活体障碍露营载物车通过判断障碍所在方位往另一方位进行相应角度避障。
实施例2：一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，包括以下工作步骤：
首先准备工作：对UWB标签进行初始化，绑定身份id，确认设备启动成功。对UWB子标签与露营载物车进行位置校准，这将影响后续跟随定位的精度；在露营载物车处，中央控制单元根据UWB的通讯数据采用TOF飞行时间法辅助AoA定位算法，计算UWB子标签所在的相对位置坐标。子UWB标签的XY坐标默认为被跟随用户端的位置坐标(X，Y)；
设备启动后，用户通过可穿戴式人机交互界面查看电量是否充裕、露营载物车是否超载并设置跟随距离，用户手中的子UWB标签和露营载物车内置的跟随模块开始发射信号，中央控制单元根据UWB数据返回值实时计算相对坐标信息，并根据情况给各执行机构发送命令，按下述步骤工作：
步骤一、中央控制单元从跟随模块实时输入的CAN信号中获取子UWB标签相对于露营载物车坐标系原点的实时XY坐标数据，据此判断露营载物车与被跟随用户端之间的距离d和相对角度θ，并比较d与设定的跟随距离阈值D的差值；
如果露营载物车与被跟随用户端之间的距离d小于设定的阈值D，即d＜D，则中央控制单元向驱动模块发送信号，车速逐步递减至20％，直至露营载物车与被跟随用户端之间的距离等于设定的阈值D时保持与子UWB模块同速跟随；若跟随模块感应到子UWB模块处于静止状态，则制动模块工作，露营载物车暂停原地待命，直至露营载物车与被跟随用户端之间的距离等于设定的阈值D时重启跟随动作；
如果露营载物车与被跟随用户端之间的距离d大于设定的阈值D，即d＞D，则中央控制单元向驱动模块发送信号加速前进，直至d＝D时开始匀速跟随；
当露营载物车在跟随的路径中检测到障碍时，进入步骤二。
步骤二、若感应其为非活体的静止障碍，中央控制单元控制车体进行避障动作，直至感应不到障碍时重新进入步骤一；若感应为活体障碍则转入步骤三；
步骤三、避障模块感应到活体障碍，中央控制单元控制制动模块和警报模块工作，车体原地待命发出警报，直至行进路径中检测不到活体障碍时继续进行步骤一。
Claims (3)
1.一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，其特征在于：包括车体9及安装在车体9上的中央控制单元1、超声波传感器2和红外线传感器3组成的避障模块、驱动模块4、制动模块5、警报模块6、跟随模块7、载重感应模块8、和安装在被跟随用户端上的可穿戴式人机交互界面10。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，其特征在于：用于在室内户外场景实现帮助用户运送货物并智能跟随。所述跟随模块为设置于车体处的三个母UWB基站，被跟随端为设于人机交互界面内的子UWB标签；所述中央控制单元根据定位信息计算所述子母UWB标签间的相对位置，进而控制各执行机构实现露营载物车的移动，使露营载物车与所述被跟随用户端的距离保持在设定阈值范围内；所述可穿戴式人机交互界面设置于被跟随用户端，通过蓝牙与中央控制单元进行数据交换，所述可穿戴式人机交互界面用于设置跟随距离阈值并可实时展示露营载物车的实时续航里程、电量、跟随速度、载重重量等值。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位的自动跟随露营载物车，其特征在于：所述的避障模块内置有超声波雷达和红外线传感器，以多传感器信息融合的方式对露营载物车行进路径上的障碍物进行监测，当检测到露营载物车行进路径上有障碍物时，所述的避障模块将检测信息实时传送给所述的中央控制单元，由所述的中央控制单元判断是否为活体障碍后向各执行机构发送命令。
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