UWB定位算法優(yōu)化及其在智能小車中的應(yīng)用內(nèi)容摘要：隨著智能小車的發(fā)展，對(duì)定位的需求也在不斷增加。北斗定位系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)在戶外定位領(lǐng)域有著卓越的表現(xiàn)，但在室內(nèi)環(huán)境中的定位問題卻很突出。本文設(shè)計(jì)并制作一輛基于UWB無線定位技術(shù)的智能定位小車，在小車上裝置標(biāo)簽、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外線循跡模塊、基于超聲波原理設(shè)計(jì)的避障模塊等，主控部分使用STM32單片機(jī)。在房間內(nèi)布置基站，在基站與標(biāo)簽之間傳輸無線信號(hào)，根據(jù)UWB定位算法來確定標(biāo)簽與基站之間的距離，之后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，并在上位機(jī)上顯示小車的運(yùn)動(dòng)軌跡。UWB定位算法包括飛行時(shí)間測距算法(TimeofFlight,ToF)和三邊定位算法，ToF算法測距原理為測量基站與標(biāo)簽之間信號(hào)的單向飛行時(shí)間，進(jìn)而求出距離；三邊定位算法原理為以標(biāo)簽到三個(gè)基站的距離為半徑分別作圓，通過確定三個(gè)圓的交點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的定位功能。最后，做了基于UWB無線定位技術(shù)的智能定位小車的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的小車可以滿足循跡、避障以及定位功能。關(guān)鍵詞：UWBTOF測距算法三邊定位算法目錄第一章緒論 21.1研究背景及意義 21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1UWB定位國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.2智能小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 31.3本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 3第二章UWB無線定位技術(shù) 42.1UWB定位理論 42.2UWB定位優(yōu)勢 42.3UWB定位方法 2.3.1ToF測距 52.3.2三邊定位 6第三章基于UWB技術(shù)的智能小車的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 83.1智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 83.1.1總體框架 83.1.2電源模塊 83.1.3控制模塊 93.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 93.1.5循跡模塊 3.1.6避障模塊 3.2UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.1總體框架 3.2.2DW1000芯片 3.2.3上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.4串口模塊 第四章系統(tǒng)測試結(jié)果及分析 4.1測試環(huán)境搭建 4.2測試方案設(shè)計(jì) 4.3測試結(jié)果及分析 4.3.1循跡功能 4.3.2避障功能 4.3.3定位功能 5.2展望 參考文獻(xiàn) 第一章緒論1.1研究背景及意義智能小車是一種可以按照預(yù)先設(shè)置的模式自動(dòng)行進(jìn)的移動(dòng)機(jī)器人，其系統(tǒng)涵蓋了電子、通信、傳感器及人工智能等多個(gè)方面，是當(dāng)前科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[]。智能小車在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)效率。如今，智能小車變得更加智能化，不僅可以應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域和物流領(lǐng)域也有重要價(jià)值。傳統(tǒng)的智能定位小車實(shí)現(xiàn)定位功能是通過北斗定位系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，但他們對(duì)室內(nèi)環(huán)境卻無法實(shí)現(xiàn)有效定位(康子淵，盛明澤，2022)。由此可以推知其意為了解決室內(nèi)定位精準(zhǔn)性的問題，科研人員研究出許多技術(shù)來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，例如：紅外線定位、利用超聲波實(shí)現(xiàn)定位、無線定位以及通過超寬帶技術(shù)完成定位等。但在這些技術(shù)中，室內(nèi)紅外線定位很容易受到光線的影響，多徑效應(yīng)會(huì)對(duì)超聲室內(nèi)定位的精準(zhǔn)性產(chǎn)生干擾，而無線室內(nèi)定位的缺點(diǎn)則是功耗較高。所以，以上幾種定位技術(shù)都難以滿足對(duì)室內(nèi)精準(zhǔn)定位的要求(雷啟文，顧清瀾，2023)。超寬帶(UltraWideBand,UWB)是一項(xiàng)全新的無線通信技術(shù)，利用非常窄的脈沖來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[21,而且沒有載波分量，頻帶利用率更高。相比于傳統(tǒng)的定位技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)更加簡單、抗多徑衰落更強(qiáng)、定位精度也更加精準(zhǔn)，因此，通常被用來對(duì)室內(nèi)的物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。將UWB技術(shù)應(yīng)用于智能小車，可以更好地提高智能小車的定位精度，從而使智能小車完成一系列更為復(fù)雜的任務(wù)。例如，在物流派送中，通過定位來精準(zhǔn)地分發(fā)快遞；在地震、泥石流等災(zāi)害中，通過定位功能引導(dǎo)救援人員盡快解救被困群眾。因此，研究基于UWB的智能定位小車具有非常顯著的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1UWB定位國內(nèi)外研究現(xiàn)狀定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)提供智能小車的位置，所以對(duì)于智能小車而言有非常重要的作用。由于超寬帶系統(tǒng)的容量大、抗干擾能力強(qiáng)、功耗小、可以達(dá)到很高的定位精度，所以小車的定位系統(tǒng)主要采用UWB定位技術(shù)。國外學(xué)者HanssensB介紹了一種新型的基于超寬帶信道深度測量的定位方法，該方法是一種充分利用傳輸路徑的幾何特征的三角測量M和Djaja-JoskoV提出了一種利用到達(dá)時(shí)間差(TDOA)計(jì)算標(biāo)簽之間距離的協(xié)同超寬帶系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)使用的算法為擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。依據(jù)這些表現(xiàn)可以判斷出實(shí)驗(yàn)表明，采用這種算法可以使目標(biāo)定位精度的準(zhǔn)確性提高(伍博遠(yuǎn)，宋靖，2024)錯(cuò)誤!未找到引用源。。相較于國外而言，我國對(duì)于超寬帶技術(shù)的研究和應(yīng)用起步比較晚。2001年，國錯(cuò)誤!未找到引用源。2007年，國家“863”計(jì)劃提出，要解決目前國內(nèi)超寬帶協(xié)議芯片的難題，以看出，該方案相比于其他方案具有更好的性價(jià)比，同時(shí)在用戶體驗(yàn)和交互性方面表現(xiàn)出色。該方案注重用戶需求的挖掘和滿足，通過優(yōu)化界面設(shè)計(jì)和交互流程，提供了更加直觀、便捷的操作體驗(yàn)。用戶在使用過程中能夠快速上手，減少學(xué)習(xí)成本，同時(shí)也能獲得更好的反饋和響應(yīng)速度。此外，該方案還支持個(gè)性化定制，能夠根據(jù)不同用戶的需求提供定制化的解決方案，極大地提升了用戶滿意度和忠誠度。這種以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念使其在市場競爭中更具優(yōu)勢。隨著我國政府對(duì)超寬帶通信技術(shù)的重視，東南大學(xué)、南京郵電大學(xué)等學(xué)校立刻對(duì)UWB通信技術(shù)進(jìn)行研究。東南大學(xué)憑借一種前所未有的調(diào)制方法，增加了UWB的傳輸速率；足以說明南京郵電大學(xué)改造了超寬帶信號(hào)收發(fā)機(jī)，大大改善了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。2011年，深圳國人通信公司開發(fā)了一種可以將多種業(yè)務(wù)共同接入的超寬帶數(shù)字光纖分布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同發(fā)展(舒俊熙，秦正陽，2020)。此外，還有很多學(xué)者也進(jìn)行了UWB技術(shù)的研究。魏培、姜平等人研制了一種采用多個(gè)基站測沈重兩人提出了一種超寬帶定位算法錯(cuò)誤!未找到引用源。°,這種算法將改進(jìn)到達(dá)時(shí)間差與卡爾曼濾波相結(jié)合，使定位精度得到了提高。1.2.2智能小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能小車經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、科技、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。國外相對(duì)于國內(nèi)而言，對(duì)智能小車的研究更早。80年代后期，富士通研發(fā)了一款能夠在復(fù)持以下推論法國信息與自動(dòng)化研究所研發(fā)出了一種無人駕駛系統(tǒng)，將其命名Cybercab系統(tǒng)，于2002年開始投入使用，目前已經(jīng)具備了無人駕駛能力。2010年，谷歌公司開發(fā)了一款搭載有各種傳感器的無人駕駛汽車，并且被授予了全球第一張無人駕駛車牌。該車可以檢測路面和周邊的情況，而且實(shí)際的運(yùn)行距離已達(dá)到22.5萬千米(袁浩淼，唐啟航，2022)。盡管我國對(duì)智能小車的研究起步較晚，但是到目前為止，已經(jīng)有了很多重要的進(jìn)展。1992年，國內(nèi)第一輛無人駕駛汽車的成功運(yùn)行，為我國研究無人駕駛汽車奠定了基礎(chǔ)(孟睿德，姜子淳，2023)[121。2005年，在本文的研究框架下考慮了這一情形魯能智能科技與山東電力研究所聯(lián)合研制了一種適用于變電站的巡邏機(jī)器人。2013年12月，“玉兔號(hào)”月球車順利實(shí)現(xiàn)發(fā)射，該車搭載了多種科學(xué)探測儀器，既可以進(jìn)行攀爬，也可以實(shí)現(xiàn)越障功能(傅博涵，魏啟軒，2024)。百度公司開發(fā)出一種名為carnet的智能汽車系統(tǒng)，能夠?qū)⑹謾C(jī)和汽車系統(tǒng)相互連接起來，達(dá)到交互功能。1.3本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本文將主要研究基于UWB技術(shù)的智能定位小車，通過將UWB技術(shù)、飛行時(shí)間測距算法、三邊定位算法結(jié)合起來，建立基站，在小車上搭載標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)小車的定位功能。論文各章節(jié)的內(nèi)容如下：第一章是緒論。首先介紹了本論文的研究背景及意義；其次，介紹了超寬帶技術(shù)和智能小車的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后，概括了本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)。第二章是對(duì)UWB無線定位技術(shù)的介紹。首先介紹了UWB技術(shù)的定位理論；其次，介紹了當(dāng)前傳統(tǒng)的幾種室內(nèi)定位技術(shù)的工作原理，通過比較不同室內(nèi)定位技術(shù)的性能，分析得出UWB技術(shù)在室內(nèi)定位上的優(yōu)勢；最后，本論文還闡述了UWB定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。第三章是設(shè)計(jì)基于UWB技術(shù)的智能定位小車的定位系統(tǒng)。首先對(duì)整個(gè)智能小車系統(tǒng)的總體框架進(jìn)行描述，并對(duì)各個(gè)模塊展開介紹；其次，介紹了UWB定位系統(tǒng)的各個(gè)部分，詳細(xì)介紹每個(gè)部分所需芯片的工作原理；最后，對(duì)該定位系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證。第四章對(duì)基于UWB技術(shù)的智能定位小車進(jìn)行測試并分析。主要對(duì)定位的精準(zhǔn)性進(jìn)第五章是總結(jié)與展望，對(duì)基于UWB技術(shù)的智能定位小車的研究內(nèi)容做出總結(jié)，指出在研究過程中的不足，在之后的研究中加以改正。第二章UWB無線定位技術(shù)2.1UWB定位理論超寬帶(UltraWideBand,UWB)是一項(xiàng)新的無線定位技術(shù)，采用3.1GHz-10.6GHz的頻譜范圍，頻譜帶寬為500MHz以上，擁有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的定位精度。一般的通信系統(tǒng)都是采用一種頻率較高的載波對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，而實(shí)際情況中信號(hào)的帶寬卻很小，從而導(dǎo)致頻帶利用率下降(廖明軒，杜景瀾，2018)。UWB與常規(guī)的定位技術(shù)相比，給定這些條件可以推知其情況沒有載波分量，而且脈沖作用時(shí)間很短，從而在頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超寬帶，超寬帶技術(shù)的名字正是由此得來。2.2UWB定位優(yōu)勢常見的室內(nèi)定位技術(shù)UWB、Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙技術(shù)等。Wi-Fi技術(shù)允許把電子設(shè)備連接到無線局域網(wǎng)[121,可以在沒有物理連接的情況下，將其它的各種設(shè)備如電腦連接但是它的成本很低。藍(lán)牙技術(shù)是一種低功耗定位技術(shù)，適用于近距離定位，在室內(nèi)安裝藍(lán)牙系統(tǒng)，就可以獲取目標(biāo)的位置信息。其優(yōu)點(diǎn)是無線信號(hào)不易受視距因素的干擾，缺點(diǎn)是成本較高。由表2.1可得，與其他的室內(nèi)定位技術(shù)比較，UWB有以下優(yōu)勢(章澤霖，(1)傳輸速率高根據(jù)香農(nóng)公式可以得出，由于信道容量與頻帶寬度成正向相關(guān)性，當(dāng)UWB所具備的頻段范圍更廣，信道的傳輸速率也就會(huì)更高(胡啟銘，賀博遠(yuǎn)，2020)。(2)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)從射頻原理上來看，UWB的抗干擾能力遠(yuǎn)強(qiáng)于一般電磁波，而且與傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)相比，受到外部環(huán)境干擾信號(hào)的影響也會(huì)更小(溫子墨，龐啟航，2021)。(3)穿透性強(qiáng)星信號(hào)的強(qiáng)度很小，接收機(jī)無法接受到有效信號(hào)，不能進(jìn)行準(zhǔn)確地定位(何景云，嚴(yán)俊馳，2022)。而超寬帶定位技術(shù)能夠有效克服這一問題。(4)功耗較低來實(shí)現(xiàn)(蘇明杰，吳啟銘，2023)。(5)定位精度高常規(guī)系統(tǒng)要高出百倍，而且定位精度一般不超過幾公分(林浩淼，鄭嘉言，2024)。2.3UWB定位方法定位技術(shù)藍(lán)牙最大傳輸速率強(qiáng)弱/穿透性強(qiáng)弱強(qiáng)/功耗低較低高/定位最遠(yuǎn)距離定位精度ToF(TimeofFlight)飛行時(shí)間測距法是通過計(jì)算兩個(gè)設(shè)備之間無線電磁波傳輸所需的時(shí)間，也就是說計(jì)算無線電磁波的發(fā)送時(shí)刻和接收時(shí)刻[131,進(jìn)而換算成兩個(gè)設(shè)備之間的距離(高啟銘，陳景云，2019)。ToF可以分為直接ToF和間接ToF,直接ToF的原理是直接計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，采用脈沖調(diào)制方式；間接ToF的原理是利用相位差間接計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，采用連續(xù)波調(diào)制方式(李文博，王志遠(yuǎn)，2018)。直接ToF與間接ToF相比，憑借已有成果可得出推導(dǎo)結(jié)果具有功耗更低、測量精度更精準(zhǔn)、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用的是測距方法為直接ToF。接接收端發(fā)送端T4一共有兩個(gè)設(shè)備，分別是發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備，對(duì)應(yīng)到本次設(shè)計(jì)則為基站與標(biāo)簽，發(fā)送端在T?時(shí)刻將信號(hào)發(fā)送給接收端，在一段時(shí)間的傳播之后，信號(hào)在T?時(shí)刻到達(dá)接收端，接收端收到信號(hào)后，由此可以推知其意又在一段時(shí)間后把信號(hào)發(fā)送到發(fā)送端，發(fā)送端在T?時(shí)刻收到信號(hào)。測距原理如圖2.1所示(張子凡，劉一鳴，2019)。把發(fā)送端發(fā)出信號(hào)到發(fā)送端接收到來自接收端發(fā)送的信號(hào)的時(shí)間間隔記為Ta,Ta=T?-T?;把信號(hào)到達(dá)接收端到接收端再把信號(hào)發(fā)出去的時(shí)間間隔記為Tb,Tb=T?-T?。因?yàn)閮蓚€(gè)設(shè)備的時(shí)鐘頻率相同，因此信號(hào)在兩個(gè)設(shè)備之間的單向飛行時(shí)間T=(Ta-Th)/2,將兩個(gè)設(shè)備之間的距離記為d,則d=Tc,其中c代表無線電磁波傳播速度(陳思遠(yuǎn)，趙天磊，2020)。依據(jù)這些表現(xiàn)可以判斷出室內(nèi)定位的測距是以視距為基礎(chǔ)測量的，若有障礙物存在，則會(huì)增加接收時(shí)間，增加測量距離(周靖宇，徐嘉誠，2021)。另外，不同的基站之間的時(shí)鐘會(huì)有細(xì)微的差別，若能使基站的時(shí)間脈沖保持同步，就能提高定位的準(zhǔn)確率。在本設(shè)計(jì)的優(yōu)化流程中，本文著重權(quán)衡了經(jīng)濟(jì)效率與方案的普及潛力，相較于原始構(gòu)想，在諸多層面實(shí)施了調(diào)整與優(yōu)化。首要之舉是在成本管控上，通過剔除冗余步驟、選用成本效益更佳的方案，顯著削減了總體執(zhí)行費(fèi)用，提升了方案的性價(jià)比。此外，為了拓寬方案的適用范圍，本文在設(shè)計(jì)階段深入考量了地域與環(huán)境的差異性，保證其在多樣情境下均能穩(wěn)定運(yùn)作，便于其他實(shí)體輕松采納與實(shí)施。2.3.2三邊定位三邊定位原理為繪制三個(gè)圓，圓心為三個(gè)基站所在的位置，半徑為通過ToF算法求得的標(biāo)簽到三個(gè)基站的距離，標(biāo)簽的位置就是三個(gè)圓相交的點(diǎn)的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的定位。三邊定位原理如圖2.2所示(吳明杰，孫浩淼，2022)。將三個(gè)基站的坐標(biāo)設(shè)為(x?,y1),(x?,y?),(x?,y?),搭載標(biāo)簽的小車的坐標(biāo)為(x,y),對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽到基站之間相應(yīng)的距離分別為d?,d?,d?。足以說明通過一系列方程組即可確定標(biāo)簽的坐標(biāo)(鄭皓天，何啟航，2023)。式(2.1)為非線性方程組，由方程組中前(n-1)個(gè)方程減去第n個(gè)方程，便可得到線性其中Ax=b用最小二乘法解得(黃俊馳，高逸，2024)X=(ATA)-1ATb理想條件下，畫的三個(gè)圓剛好交于唯一—點(diǎn)。但各個(gè)部分的功耗都不相同，所以測量出的距離不會(huì)是理想條件下的(林澤昊，唐振宇，2020)。事實(shí)上，三個(gè)圓是在一片小區(qū)域內(nèi)相交，所以利用三邊定位算法計(jì)算出的(x,y)坐標(biāo)值有偏差存在。現(xiàn)有結(jié)果支持以下推論要解決這一問題，就要求使用一種更優(yōu)的算法來估算出一個(gè)比較理想的位置，并將它作為該坐標(biāo)的最優(yōu)解。本研究在此采納了既有的策略來構(gòu)建計(jì)算框架，并對(duì)其進(jìn)行了適度簡化，旨在增強(qiáng)其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和易操作性。通過詳盡剖析與評(píng)估現(xiàn)有策略，本文識(shí)別并剔除了繁瑣且非必要的環(huán)節(jié)，優(yōu)化了整個(gè)流程，最終打造出一個(gè)更加精簡高效的計(jì)算模型。此舉不僅縮減了資源消耗，還加快了處理速度，使得本方案在維持原有效能的基礎(chǔ)上，更便于執(zhí)行與普及。同時(shí)，本文還實(shí)施了一系列驗(yàn)證流程與質(zhì)量控制手第三章基于UWB技術(shù)的智能小車的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的智能小車系統(tǒng)的總體框架如圖3.1所示。電源模塊采用兩節(jié)18650鋰電池供電。控制模塊使用STM32單片機(jī)。給定這些條件可以推知其情況電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要使用到L298N芯片來達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的(邱奕辰，余睿哲，2019)。循跡模塊使用的傳感器為TCRT5000傳感器，實(shí)現(xiàn)小車根據(jù)目標(biāo)軌跡行進(jìn)的功能。避障模塊鑒于超聲波原理實(shí)現(xiàn)檢測障礙物功能。標(biāo)簽?zāi)K采用DW1000芯片。電源模塊該模塊使用兩節(jié)18650型的鋰電池來為智能小車提供工作電壓。18650鋰電池如圖3.2所示。18650是索尼公司制定的一款長65毫米、半徑18毫米的標(biāo)準(zhǔn)型鋰離子電池。18650鋰電池與一般電池相比電池容量更大，于此特定環(huán)境不難看出其端倪而且使用時(shí)間也比一般的鋰離子電池要長一倍(夏煜宸，魏宏毅，2021)。此外，18650鋰電池的工作性能非常穩(wěn)定，所以在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。I/=Doublepow925WUB?N-on該模塊以STM32單片機(jī)為主控制器，STM32單片機(jī)與51單片機(jī)相比，接口資源更加豐富，運(yùn)算速度也更快，依據(jù)該理論框架研究可推導(dǎo)出大約是52單片機(jī)的幾十倍(顧家明，錢文博，2018)。該模塊的系統(tǒng)采用的是STM32F103C8T6芯片，這款芯片為32位微處理器，以Cortex-M3為內(nèi)核，芯片硬件為LQFP48封裝151,屬于ST公司的STM32系列。STM32F103C8T6芯片如圖3.3所示。sNRSTvss_223456789圖3.3圖3.3該芯片一共有44只引腳，主控制器根據(jù)引腳16和引腳17設(shè)置模塊參數(shù)，并對(duì)所接收的信息進(jìn)行控制(謝天磊，馮子凡，2019)。引腳27和引腳28的功能是與無線傳輸模塊完成通信，在SPI接口與WiFi數(shù)據(jù)包之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｒ_20和引腳44是模式選擇引腳，憑借已有成果可得出推導(dǎo)結(jié)果其功能是確定芯片運(yùn)行程序的位置(潘一帆，楊思遠(yuǎn)，2020)。該模塊使用的芯片是是L298N驅(qū)動(dòng)芯片。L298N芯片的作用是與周圍電路共同構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(羅志剛，蔡一鳴，2021)。由此可以推知其意電機(jī)不能直接連接電源進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，L298N能夠接受高電壓，一片芯片能夠同時(shí)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，使其工作電壓為6V到46V,輸出電流為2A,具有反饋檢測功能。L298N利用芯片的I/O輸入來調(diào)節(jié)控制電平，從而直接控制電機(jī)使電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)大電流驅(qū)動(dòng)的要求。L298N芯片引腳圖如圖3.4所示(韓嘉誠，馬浩淼，2022)。該模塊采用的是紅外傳感器，紅外傳感器可以不斷地發(fā)出紅外線，小車在運(yùn)動(dòng)過程中，它會(huì)向地面持續(xù)發(fā)出紅外線，依據(jù)這些表現(xiàn)可以判斷出它碰到地面會(huì)產(chǎn)生一種反射，產(chǎn)生的反射光會(huì)被小車上的傳感器所吸收；而紅外光觸碰到黑線，不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)(朱啟航，林逸靖，2023)。循跡模塊的工作原理就是通過紅外線有無被接收管接收來判斷小車的運(yùn)動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能。本系統(tǒng)采用的TCRT5000傳感器，但紅外傳感器探測距離有限，一般不超過3cm。TCRT5000傳感器如圖3.5所示。足以說明該傳感器的工作電壓為3.3V-5V,可用來檢測障礙物以及電度表的數(shù)據(jù)采集(何振宇，王宏毅，2024)。該傳感器一共有四個(gè)引腳，分別是VCC、GND、DO、AO。引腳VCC與電源正極相連接；引腳GND與電源負(fù)極相連接；引腳DO用于輸出開關(guān)信號(hào)；引腳AO用于輸出模擬信號(hào)，此引腳一般可以不接。在此背景下，本文針對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理方式相較于以往的研究顯得更為簡潔且高效。本文采納了一種更為簡捷的預(yù)處理手段，這一手段削減了多余的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，優(yōu)化了數(shù)據(jù)清洗與標(biāo)準(zhǔn)化流程，進(jìn)而顯著提升了信息處理的速率與效能。采用此法，本文得以迅速籌備好分析所需的信息集合，同時(shí)減少了復(fù)雜處理流程可能帶來的誤差風(fēng)險(xiǎn)。此外，經(jīng)過對(duì)不同渠道和種類的信息實(shí)施全面測試，本文進(jìn)一步確認(rèn)了本方案的穩(wěn)固性與可信度。3.1.6避障模塊該模塊采用的是超聲波避障模塊。超聲波在傳播的過程中，能量容易被集中，而且擁有很強(qiáng)的方向性(李澤昊，趙睿哲，2020)。現(xiàn)有結(jié)果支持以下推論測距原理為首先測出在小車和障礙物之間傳輸超聲波所需的時(shí)間t,然后再用超聲波傳輸速度乘以傳輸超聲波所需的時(shí)間t,就可以求出小車和障礙物的距離。將小車紅外循跡模塊與超聲波相結(jié)合，利用程序編程，可以實(shí)現(xiàn)功能：在超聲波檢測到前方有障礙物時(shí)，小車停止運(yùn)動(dòng)；在前方?jīng)]有障礙物時(shí)，小車會(huì)根據(jù)紅外循跡模塊探測到的運(yùn)動(dòng)軌跡行駛(宋靖宇，孫啟明，2019)。本系統(tǒng)使用了HC-SR04超聲波測距傳感器，由兩個(gè)傳感器組成。其中一臺(tái)是將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為40KHz超聲波脈沖的發(fā)射機(jī)，在本文的研究框架下考慮了這一情形另一臺(tái)是接收機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)測所發(fā)射的脈沖。若接收到這些信號(hào)，就會(huì)生成一個(gè)輸出脈沖，其寬度可以用來決定脈沖的傳輸距離。該傳感器的尺寸非常小，能夠?qū)崿F(xiàn)2-400cm的無接觸距離檢測，測量精度可達(dá)到3mm。HC-SR04超聲波測距傳感器如圖3.6所示(崔皓天，該模塊共有四個(gè)引腳，分別是Vcc、Trig、Echo、Gnd。引腳Vcc是電源輸入端；引腳Trig用于輸入觸發(fā)信號(hào)；引腳Echo用于輸出回響信號(hào)；引腳Gnd是接地端。3.2UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)UWB定位系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是通信基站、電子標(biāo)簽和上位機(jī)。本系統(tǒng)利用DW1000芯片通過撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)了基站與標(biāo)簽的確立[16]。給定這些條件可以推知其情況設(shè)計(jì)框圖如圖3.7所示。基站1基站1交換機(jī)基站2基站3圖3.7UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖接到上位PC機(jī)(譚明杰，吳逸飛，2022)。當(dāng)標(biāo)簽分別向3個(gè)基站發(fā)送信號(hào)時(shí)，于此無線通信標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)包的最大長度為1023字節(jié)，依據(jù)該理論框架研究可推導(dǎo)出能適應(yīng)所以在室內(nèi)定位時(shí)也得到了廣泛的應(yīng)用(許文博，鄭啟航，2023)。DW1位系統(tǒng)。DW1000芯片引腳圖如圖3.8所示。DW1000芯片支持四種SPI通信模式。一共有49個(gè)引腳，用戶可以直接對(duì)8個(gè)GPIO引腳進(jìn)行獨(dú)立的配置。引腳39,40,41和24都是SPI通訊接口。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議允許對(duì)一個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)進(jìn)行讀寫訪問，憑借已有成果可得出推導(dǎo)結(jié)果全部字節(jié)的傳送都是按照從高到低的順序。引腳SPICSN為SPI芯片選擇引腳，輸入低電平有效(孔天磊，黃嘉誠，2024);引腳RSTn為復(fù)位引腳，作用是實(shí)現(xiàn)DW1000芯片的重置，由此可以推知其意該引腳持續(xù)輸入低電平時(shí)DW1000就會(huì)被重置；引腳GND是接地端。為削弱外部環(huán)境對(duì)方案成效的干擾，本研究在策劃及執(zhí)行流程中采納了多項(xiàng)措施來保障數(shù)據(jù)的精確度和方案的穩(wěn)固性。首要步驟是深入探討了可能左右方案執(zhí)行質(zhì)量的外部要素。基于此探討，本文在方案構(gòu)思階段融入了環(huán)境響應(yīng)性評(píng)估的手段，借助模擬多樣化的外界環(huán)境條件來預(yù)估它們對(duì)方案成效的潛在作用，并依據(jù)這些預(yù)估調(diào)整方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)，以提升其靈活性和耐抗性，保證方案能敏捷適應(yīng)外界變動(dòng)，保持其效用和時(shí)效性。3.2.3上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文的上位機(jī)使用PC機(jī)，用于顯示小車的運(yùn)動(dòng)軌跡以及搭載標(biāo)簽的智能小車到各基站的距離(嚴(yán)啟明，邱逸皓，2020)。依據(jù)這些表現(xiàn)可以判斷出下位機(jī)收到來自上位機(jī)的動(dòng)作命令后，先對(duì)該命令進(jìn)行分析，然后再將該命令傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而使智能小車根據(jù)上位機(jī)的命令做出相應(yīng)的動(dòng)作。上位機(jī)和下位機(jī)的端口電平不同，上位機(jī)和下位機(jī)之間不能直接連接，所以需要通過串口模塊使端口電平一致。串行接口能把從CPU接收到的并行數(shù)據(jù)變換成連續(xù)的串行數(shù)據(jù)傳輸；足以說明并且將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成向CPU傳送的并行數(shù)據(jù)(姜一帆，余嘉誠，2019)。通常用來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的線路叫做串行接口，目前通用的標(biāo)準(zhǔn)是本文的串口模塊采用的是MAX232芯片，在本文的研究框架下考慮了這一情形這款芯片是一種電平變換芯片[17]。使用+5v的單電源提供工作電壓，符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)。MAX232芯片引腳圖如圖3.9所示。MAX232芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為三部分：(1)電荷泵電路部分：該部分為引腳1到引腳6組成。功能是為串口電平提供+12V和-12V電源。(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道部分：此部分為引腳7到引腳14組成。數(shù)據(jù)通道可以分為第一數(shù)據(jù)通道和第二數(shù)據(jù)通道(陸啟航，高皓逸，2021)。第一數(shù)據(jù)通道由引腳11、引腳12、引腳13、引腳14組成。第二數(shù)據(jù)通道是由引腳7、引腳8、引腳9、引腳10組成。在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，先把數(shù)據(jù)從引腳10和引腳11輸入，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從引腳7和引腳14送入計(jì)算機(jī)DB9;再將DB9的數(shù)據(jù)由引腳8和引腳13輸入，最后由引腳9和引腳12輸出數(shù)據(jù)。(3)供電部分：引腳15和引腳16。第四章系統(tǒng)測試結(jié)果及分析在房間內(nèi)布置三個(gè)通信基站A1、A2、A3,給定這些條件可以推知其情況再把三個(gè)基站與交換機(jī)連接，最終與上位機(jī)PC相連。其中三個(gè)基站要保持高度一致，位置固定，在實(shí)驗(yàn)過程中，搭載標(biāo)簽的小車可以隨意移動(dòng)。測試環(huán)境如圖4.1所示(戴振宇，陳嘉誠，2022)。4.2測試方案設(shè)計(jì)根據(jù)3.2節(jié)所設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)可知，標(biāo)簽和基站是通過DW1000芯片上的撥碼開關(guān)來設(shè)置。撥碼開關(guān)功能如圖4.2所示，于此特定環(huán)境不難看出其端倪通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的類別、數(shù)量進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)使用三個(gè)基站和一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)完成定位，因此將三個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為基站，一單元數(shù)量：錨點(diǎn)[0~2]標(biāo)簽[0~7]單元類型：5[ON]實(shí)驗(yàn)步驟如下：1.如圖所示布置三個(gè)基站，三個(gè)基站坐標(biāo)分別為(0,20),(0,0),(20,0)。2.打開上位PC機(jī)，根據(jù)已知條件來設(shè)置各個(gè)基站的坐標(biāo)。3.建立上位PC機(jī)和搭載標(biāo)簽的小車之間的通信，先依次算出標(biāo)簽到基站的距離，之后開始進(jìn)行定位，重復(fù)五次實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果(湯皓志，胡嘉誠，2024)。理論上，如果實(shí)施方案時(shí)輸入的信息與預(yù)期相符，則可以期待產(chǎn)出的結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，初始設(shè)定和參數(shù)選擇準(zhǔn)確，并且使用的模型或理論框架構(gòu)建得當(dāng)?shù)脑挘Y(jié)果的可靠性和有效性會(huì)較高。這不僅需要精確的數(shù)據(jù)輸入，還需要科學(xué)合理的分析方法、先進(jìn)的技術(shù)工具以及恰當(dāng)?shù)难芯渴侄巍Ｍ瑫r(shí)，也要考量外部因素對(duì)研究結(jié)果的影響，確保整個(gè)過程具有可控性及可重復(fù)性，為結(jié)論的廣泛適用提供保障。4.設(shè)置目標(biāo)軌跡，觀察小車的行進(jìn)軌跡。5.在有障礙物的平面上，觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況。對(duì)比目標(biāo)軌跡與小車的行進(jìn)軌跡可得出所設(shè)計(jì)的小車能夠?qū)崿F(xiàn)循跡功能，但由于存在系統(tǒng)誤差，小車的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)略有波動(dòng)。小車遇到障礙物后，依據(jù)該理論框架研究可推導(dǎo)出可以根據(jù)紅外探頭的反饋來判斷往哪個(gè)方向前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的自主避障功能(彭啟航，徐逸天，2021)。4.3.3定位功能利用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)軌跡和小車的位置坐標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示，如圖4.3所示，定位結(jié)果如表4.1所示。位置編號(hào)12345通過對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，標(biāo)簽和基站之間實(shí)際距離與測量距離的誤差在10cm以第五章總結(jié)與展望隨著智能小車的發(fā)展，智能小車在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)智能小車的主要研究方向是定位，定位按照環(huán)境的不同，可以分為室外定位和室內(nèi)定位兩種。室內(nèi)定位需要用到UWB定位技術(shù)。通過以上的分析，本文的主要工作內(nèi)容如下：首先介紹了智能小車的重要性，對(duì)于室內(nèi)定位，最適合的方案就是UWB無線定位技術(shù)，不僅定位精度高，而且功耗小，成本低，之后分別簡述了智能小車和UWB技術(shù)對(duì)UWB無線定位技術(shù)從三個(gè)方面做了充分的介紹，分別是UWB定義，優(yōu)勢以及UWB定位技術(shù)。UWB定位技術(shù)與傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)相比，憑借已有成果可得出推導(dǎo)結(jié)果定位精度更高、功耗也更低。UWB技術(shù)采用的定位方法主要包括ToF測距與三邊定位算法兩部分。對(duì)本文所需的智能小車進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。之后介紹了UWB定位系統(tǒng)的組成，包括電子標(biāo)簽、基站和上位機(jī)三部分，標(biāo)簽和基站都是通過撥碼開關(guān)對(duì)DW1000芯片的配置來建立。最后通過系統(tǒng)測試得出結(jié)果并分析，UWB定位技術(shù)的誤差在10cm以內(nèi)。5.2展望本論文所設(shè)計(jì)的基于UWB技術(shù)的智能小車雖然具有較高的定位精度，但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在限制性，本論文的研究中仍存在著一些不足之處：(1)由于不同的環(huán)境對(duì)基站的測距有一定的影響，例如標(biāo)簽與基站的本機(jī)時(shí)鐘不同源，會(huì)造成同步誤差、經(jīng)緯度誤差等，所以在進(jìn)行定位系統(tǒng)部署之前，必須先對(duì)UWB無線收發(fā)器進(jìn)行標(biāo)定。(2)超寬帶定位系統(tǒng)中由于受噪聲干擾會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)偏差，所以必須進(jìn)一步優(yōu)化超寬帶定位算