CN108013563A - 一种基于uwb的自动调速跟随与避障的旅行箱及跟随算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，包括箱体，还包括安装在箱体内的控制系统以及与控制系统电连接驱动装置、UWB跟随系统、避障系统、指纹开锁模块、防盗报警装置，蓝牙模块，还包括为上述各个电器元件供电的供电系统。本装置可对50米范围内特定移动目标的全方位精准跟随；还公开了旅行箱的跟随算法；本装置可根据避障系统的反馈信息，实现智能避障，从而保护旅行箱；本装置可以调速，可根据主人速度的变化而调整跟随速度，使智能跟随实用性更高；本装置具有双重保护系统，一是在旅行箱侧方安装了指纹识别装置防止他人打开；二是在旅行箱顶端安装了超声波传感器，可实现对人体及其他物体的避障。

Description

一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱及跟随算法

技术领域

本发明属于生活用品技术领域，尤其涉及一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱及跟随算法。

背景技术

目前国内对于旅行箱的智能跟随系统的研究较少，故现在市场上还没有销售过此类跟随旅行箱，并且国内的智能跟随系统还不够成熟，大多数还停留在蓝牙控制前进以及利用摄像头上位机捕捉不同人的一些行为进行特定目标的跟踪，但是这些在旅行箱的实用性不高，无法投入到日常生活的正常应用。

发明内容

本发明针对上述技术的不足，提供一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱及跟随算法，本发明可实现对于50m内特定移动目标的全方位跟随；本装置可根据激光测距传感器的反馈信息，实现智能避障，从而保护旅行箱；本装置的调速模块，可根据主人速度的变化而调整跟随速度，使智能跟随实时性更高；本装置具有双重保护系统，一是在旅行箱侧方安装了指纹识别装置防止他人打开；二是在旅行箱顶端安装了超声波模块，可实现对人体及其他物体的避障。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明提供一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，包括箱体，包括安装在箱体内的控制系统以及与控制系统电连接的驱动装置、UWB跟随系统和供电系统；所述驱动装置安装在箱底的万向轮上；所述UWB跟随系统包括放置在人体上由UWB标签构成的信号发射端和安装在箱体上由UWB基站组构成的信号接收端；所述供电系统为驱动装置、UWB跟随系统供电。

作为优选，所述UWB基站组包括位于箱体正面并排的左右两个UWB基站以及箱体背面的一个UWB基站，三者作为信号接收端处于同一水平高度，且呈等边三角形分布。相邻两者间的间距为40cm，距离地面50cm。

UWB跟随系统的使用：由5v电源给UWB标签供电，打开开关后，UWB 标签发射无线信号，安装在箱体上的三个UWB基站接收到信号后，计算出与UWB标签之间的距离，左右UWB基站将距离发送给中间UWB基站，通过计算得出UWB标签相对于中间UWB基站的角度，单片机对距离及角度进行处理，然后单片机发出指令控制电机向相应的方向工作运行，从而实现跟随功能。其最大跟随距离为50m，跟随角度为360度，不受周围环境因素的干扰。

本发明通过控制系统、UWB跟随系统和驱动装置可以进行调速；当中间 UWB基站与UWB标签距离超过15m时，控制系统设置占空比为70％，驱动装置保持200m/min，当中间UWB基站与UWB标签距离超过5m时，控制系统设置占空比为50％，驱动装置保持150m/min，当中间UWB基站与 UWB标签距离小于3m时，控制系统设置占空比为30％，驱动装置保持 100m/min，当UWB标签与UWB基站距离小于1m时，驱动装置停止等待。

作为优选，所述驱动装置包括对应安装在箱底的左万向轮和右万向轮上的左电机和右电机。通过控制系统控制右电机运动实现箱体的右转，通过控制左电机运动实现箱体的左转，通过控制两个电机同时运动实现箱体的向前直行。

作为优选，还包括与控制系统电连接的避障系统，所述避障系统包括激光测距避障系统和超声波避障系统；所述避障系统与供电系统电连接。

作为优选，所述激光测距避障系统包括在箱体底部位置并排安装的左中右三个激光测距传感器。相邻两者间距为15cm，距离地面15cm从而实现基准避障。

作为优选，所述超声波避障系统包括在箱体上部位置并排安装有左中右三个超声波传感器。相邻两者间距为15cm，距离地面55cm从而实现基准避障所述避障系统包括安装在箱体底部左中右三个位置的激光测距传感器和安装在箱子上方左中右位置的超声波传感器。所述激光测距传感器包括激光信号发射端与激光信号接收端；所述超声波传感器包括超声波信号发射端与超声波信号接收端。激光测距传感器主要针对马路边沿进行避障，并排放置在箱体正面下端，相邻两者间距为15cm，距离地面15cm。当左中右激光测距传感器与障碍物距离超过50cm则执行前进指令，若中间激光测距传感器与障碍物相距小于30cm时，判断左右激光测距传感器同左右障碍物的距离，若左侧障碍物距离大于右侧障碍物距离，则执行左转指令，否则右转；当左中右激光测距传感器同某一障碍物距离均小于20cm时，执行后退指令。超声波传感器并排放置在箱体正面上端，相邻两者间距为15cm，距离地面55cm，主要针对行人进行避障，当左超声波检测到距离障碍物小于1.5m时，执行右转，右超声波检测到障碍物小于1.5m时，执行左转，中间超声波检测到障碍物时，判断左右超声波距离障碍物的距离，左侧距离大于右侧距离时，执行左转，右侧距离大于左侧距离时，执行右转。当左中右超声波同时检测到障碍物时执行后退命令。

作为优选，还包括与控制系统电连接的指纹开锁模块，所述指纹开锁模块包括安装在箱体上的指纹识别模块，指纹匹配模块和减速马达，所述减速马达与位于箱体侧面的密码锁连接。所述指纹识别模块放置在箱体顶端距拉杆右侧5cm处，由指纹识别模块接收指纹信息，传送给控制系统，控制系统通过指纹匹配模块做出匹配判断，当指纹匹配时控制减速马达转动开启密码锁。

作为优选，还包括与控制系统电连接的防盗报警装置，所述防盗报警装置包括安装在箱体底部的红外线测距模块和安装在箱体一侧距离旅行箱底部 30cm的蜂鸣器，所述红外线测距模块由红外信号发射端与红外信号接收端组成。

所述红外线测距模块的安装位置距离地面距离为55mm，工作电压为 3.3v-5.0v，检测距离为10cm，具有一对红外信号发射端与红外信号接收端，红外信号发射端发射出红外线，当检测方向遇到反射面时，红外线反射回来被红外信号接收端接收，当检测到离地信号时，发送给控制系统，控制系统控制蜂鸣器发出报警信号，提醒主人，以此解决丢失旅行箱的问题。所述蓝牙模块可与手机进行无线通信，有效接收范围为0～50米，超出有效范围后，手机处于震动状态，同时蜂鸣器发出报警信号，提醒主人，以此解决丢失旅行箱的问题。

作为优选，还包括与控制系统电连接的蓝牙模块，蓝牙模块安装在箱体一侧距离旅行箱底部20cm处，所述控制系统通过蓝牙模块与移动设备无线通信，可以通过移动设备实现对旅行箱的控制。所述蓝牙模块可与手机进行无线通信，蓝牙模块有效接收范围为0～50米，打开电源后蓝牙模块与手机进行配对。

作为优选，所述控制系统采用STM32单片机。控制系统安装在箱体内部两侧拉杆中间，既能保护控制系统不受损坏，又可以方便的控制其他模块的正常运行。

一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱的跟随算法，三个UWB 基站同时接收UWB标签发出的无线信号，同时左右UWB基站将距离传送给中间UWB基站，通过三个UWB基站之间的安装距离以及距离UWB标签的距离，运用三边测量定位算法进行角度、距离的确定。

作为优选，所述三边测量定位算法的具体步骤如下：建立以中间UWB基站所在位置为坐标原点，以所在点的竖直方向为x轴，水平方向为y轴的直角坐标系，定义左UWB基站、右UWB基站的位置分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂)，定义UWB标签所在位置为(x,y)，左中右UWB基站距离UWB标签的距离分别为d₁,d,d₂，UWB标签在以左UWB基站为圆心，以d₁为半径的圆上，同理，UWB标签在以中间UWB基站为圆心，以d为半径的圆上，也在UWB标签也在以右UWB基站为圆心，以d₂为半径的圆上。由于UWB测距具有精确度高的优点，三个圆会相交与一点，交点即UWB标签所在位置，即：

angle＝arctan^-1(y/x)

定义角度在负70度到负20度时UWB标签位于旅行箱左前方，角度在20 度到70度时UWB标签位于旅行箱右前方，角度在负20度到20度时UWB 标签位于旅行箱前方，其他角度时UWB标签位于旅行箱后方。用户持有发射信号端，发射信号端是一个UWB标签，设置其跟随距离最远为50m。

本发明的有益效果为：

(1)本装置对50米范围内特定移动目标进行全方位跟随，可解放使用者双手，出行更为方便。

(2)本装置具有激光测距避障模块，避免周围环境的影响，进行高精度智能化避障。

(3)本装置可以调速，可对特定移动目标进行差速跟随。

(4)本装置具有双重保护系统，一是在旅行箱侧方安装了指纹识别装置防止他人打开；二是在旅行箱顶端安装了超声波传感器，可实现对人体及其他物体的避障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱主视图；

图2为基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱左视图；

图3为基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱俯视图；

图4为基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱后视图；

图5为本发明控制原理图；

图中：1拉杆、2提手、3超声波传感器、4密码锁、5UWB基站、6激光测距传感器、7左电机、8右电机、9单片机电源开关、10电机电源开关、 11蓝牙模块、12万向轮、13指纹识别模块、14单片机电源充电插口、15电机充电插口、16箱体背面UWB基站、17红外线测距模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例1，如图1-5所示，一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，包括箱体，包括安装在箱体内的控制系统以及与控制系统电连接的驱动装置、UWB跟随系统和供电系统；所述驱动装置安装在箱底的万向轮上；所述UWB跟随系统包括放置在人体上由UWB标签构成的信号发射端和安装在箱体上由UWB基站组构成的信号接收端；所述供电系统为驱动装置、UWB 跟随系统供电。

所述UWB基站组包括位于箱体正面并排的左右两个UWB基站以及箱体背面的一个UWB基站，三者作为信号接收端处于同一水平高度，且呈等边三角形分布。相邻两者间的间距为40cm，距离地面50cm，从而实现精准定位跟随。

UWB跟随系统的使用：由5v电源给UWB标签供电，打开开关后，UWB 标签发射无线信号，安装在箱体上的三个UWB基站接收到信号后，计算出与UWB标签之间的距离，左右UWB基站将距离发送给中间UWB基站，通过计算得出UWB标签相对于中间UWB基站的角度，单片机对距离及角度进行处理，然后单片机发出指令控制电机向相应的方向工作运行，从而实现跟随功能。其最大跟随距离为50m，跟随角度为360度，不受周围环境因素的干扰。

本发明通过控制系统、UWB跟随系统和驱动装置可以进行调速；当中间 UWB基站与UWB标签距离超过15m时，控制系统设置占空比为70％，驱动装置保持200m/min，当中间UWB基站与UWB标签距离超过5m时，控制系统设置占空比为50％，驱动装置保持150m/min，当中间UWB基站与UWB标签距离小于3m时，控制系统设置占空比为30％，驱动装置保持 100m/min，当UWB标签与UWB基站距离小于1m时，驱动装置停止等待。

所述驱动装置包括对应安装在箱底的左万向轮和右万向轮上的左电机7和右电机8。通过控制系统控制右电机运动实现箱体的右转，通过控制左电机运动实现箱体的左转，通过控制两个电机同时运动实现箱体的向前直行。

还包括与控制系统电连接的避障系统，所述避障系统包括激光测距避障系统和超声波避障系统；所述避障系统与供电系统电连接。

所述激光测距避障系统包括在箱体底部位置并排安装的左中右三个激光测距传感器6。相邻两者间距为15cm，距离地面15cm从而实现基准避障。

所述超声波避障系统包括在箱体上部位置并排安装有左中右三个超声波传感器3。相邻两者间距为15cm，距离地面55cm从而实现基准避障

所述避障系统包括安装在箱体底部左中右三个位置的激光测距传感器和安装在箱子上方左中右位置的超声波传感器。所述激光测距传感器包括激光信号发射端与激光信号接收端；所述超声波传感器包括超声波信号发射端与超声波信号接收端。激光测距传感器主要针对马路边沿进行避障，并排放置在箱体正面下端，相邻两者间距为15cm，距离地面15cm。当左中右激光测距传感器与障碍物距离超过50cm则执行前进指令，若中间激光测距传感器与障碍物相距小于30cm时，判断左右激光测距传感器同左右障碍物的距离，若左侧障碍物距离大于右侧障碍物距离，则执行左转指令，否则右转；当左中右激光测距传感器同某一障碍物距离均小于20cm时，执行后退指令。超声波传感器并排放置在箱体正面上端，相邻两者间距为15cm，距离地面55cm，主要针对行人进行避障，当左超声波检测到距离障碍物小于1.5m时，执行右转，右超声波检测到障碍物小于1.5m时，执行左转，中间超声波检测到障碍物时，判断左右超声波距离障碍物的距离，左侧距离大于右侧距离时，执行左转，右侧距离大于左侧距离时，执行右转。当左中右超声波同时检测到障碍物时执行后退命令。

所述控制系统采用STM32单片机。控制系统安装在箱体内部两侧拉杆中间，既能保护控制系统不受损坏，又可以方便的控制其他模块的正常运行。

一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱的跟随算法，三个UWB 基站同时接收UWB标签发出的无线信号，同时左右UWB基站将距离传送给中间UWB基站，通过三个UWB基站之间的安装距离以及距离UWB标签的距离，运用三边测量定位算法进行角度、距离的确定。

所述三边测量定位算法的具体步骤如下：建立以中间UWB基站所在位置为坐标原点，以所在点的竖直方向为x轴，水平方向为y轴的直角坐标系，定义左UWB基站、右UWB基站的位置分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂)，定义UWB标签所在位置为(x,y)，左中右UWB基站距离UWB标签的距离分别为d₁,d,d₂， UWB标签在以左UWB基站为圆心，以d₁为半径的圆上，同理，UWB标签在以中间UWB基站为圆心，以d为半径的圆上，也在UWB标签也在以右 UWB基站为圆心，以d₂为半径的圆上。由于UWB测距具有精确度高的优点，三个圆会相交与一点，交点即UWB标签所在位置，即：

angle＝arctan^-1(y/x)

定义角度在负70度到负20度时UWB标签位于旅行箱左前方，角度在20 度到70度时UWB标签位于旅行箱右前方，角度在负20度到20度时UWB 标签位于旅行箱前方，其他角度时UWB标签位于旅行箱后方。用户持有发射信号端，发射信号端是一个UWB标签，设置其跟随距离最远为50m。

实施例2，本实施例与实施例1的不同之处在于，在实施例1的基础上还包括与控制系统电连接的指纹开锁模块，所述指纹开锁模块包括安装在箱体上的指纹识别模块13，指纹匹配模块和减速马达，所述减速马达与位于箱体侧面的密码锁4连接。所述指纹识别模块放置在箱体顶端距拉杆右侧5cm处，由指纹识别模块接收指纹信息，传送给控制系统，控制系统通过指纹匹配模块做出匹配判断，当指纹匹配时控制减速马达转动开启密码锁。

实施例3，本实施例与实施例1的不同之处在于，在实施例1的基础上还包括与控制系统电连接的防盗报警装置，所述防盗报警装置包括安装在箱体底部的红外线测距模块17和安装在箱体一侧距离旅行箱底部30cm的蜂鸣器，所述红外线测距模块17由红外信号发射端与红外信号接收端组成。

所述红外线测距模块的安装位置距离地面距离为55mm，工作电压为 3.3v-5.0v，检测距离为10cm，具有一对红外信号发射端与红外信号接收端，红外信号发射端发射出红外线，当检测方向遇到反射面时，红外线反射回来被红外信号接收端接收，当检测到离地信号时，发送给控制系统，控制系统控制蜂鸣器发出报警信号，提醒主人，以此解决丢失旅行箱的问题。所述蓝牙模块可与手机进行无线通信，有效接收范围为0～50米，超出有效范围后，手机处于震动状态，同时蜂鸣器发出报警信号，提醒主人，以此解决丢失旅行箱的问题。

实施例4，本实施例与实施例1的不同之处在于，在实施例1的基础上还包括与控制系统电连接的蓝牙模块，蓝牙模块安装在箱体一侧距离旅行箱底部20cm处，所述控制系统通过蓝牙模块与移动设备无线通信，可以通过移动设备实现对旅行箱的控制。所述蓝牙模块可与手机进行无线通信，蓝牙模块有效接收范围为0～50米，打开电源后蓝牙模块与手机进行配对。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，包括箱体，其特征在于：包括安装在箱体内的控制系统以及与控制系统电连接的驱动装置、UWB跟随系统和供电系统；所述驱动装置安装在箱底的万向轮上；所述UWB跟随系统包括放置在人体上由UWB标签构成的信号发射端和安装在箱体上由UWB基站组构成的信号接收端；所述供电系统为驱动装置、UWB跟随系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：所述UWB基站组包括位于箱体正面并排的左右两个UWB基站以及箱体背面的一个UWB基站，三者作为信号接收端处于同一水平高度，且呈等边三角形分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：还包括与控制系统电连接的避障系统，所述避障系统包括激光测距避障系统和超声波避障系统；所述避障系统与供电系统电连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：所述激光测距避障系统包括在箱体底部位置并排安装的左中右三个激光测距传感器(6)。

5.根据权利要求3所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：所述超声波避障系统包括在箱体上部位置并排安装有左中右三个超声波传感器(3)。

6.根据权利要求1所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：还包括与控制系统电连接的指纹开锁模块，所述指纹开锁模块包括安装在箱体上的指纹识别模块(13)，指纹匹配模块和减速马达，所述减速马达与位于箱体侧面的密码锁(4)连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：还包括与控制系统电连接的防盗报警装置，所述防盗报警装置包括安装在箱体底部的红外线测距模块(17)和安装在箱体一侧的蜂鸣器，所述红外线测距模块(17)由红外信号发射端与红外信号接收端组成。

8.根据权利要求1所述的一种基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱，其特征在于：还包括与控制系统电连接的蓝牙模块(11)，所述蓝牙模块(11)安装在箱体的一侧，所述控制系统通过蓝牙模块(11)与移动设备无线通信。

9.一种根据权利要求2所述的基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱的跟随算法，其特征在于：三个UWB基站同时接收UWB标签发出的无线信号，同时左右UWB基站将距离传送给中间UWB基站，通过三个UWB基站之间的安装距离以及距离UWB标签的距离，运用三边测量定位算法进行角度、距离的确定。

10.根据权利要求9所述的基于UWB的自动调速跟随与避障的旅行箱的跟随算法，其特征在于：所述三边测量定位算法的具体步骤如下：建立以中间UWB基站所在位置为坐标原点，以所在点的竖直方向为x轴，水平方向为y轴的直角坐标系，定义左UWB基站、右UWB基站的位置分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂)，定义UWB标签所在位置为(x,y)，左中右UWB基站距离UWB标签的距离分别为d₁,d,d₂，UWB标签在以左UWB基站为圆心，以d₁为半径的圆上，同理，UWB标签在以中间UWB基站为圆心，以d为半径的圆上，UWB标签也在以右UWB基站为圆心，以d₂为半径的圆上；三个圆会相交与一点，交点即UWB标签所在位置，即：

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angle＝arctan^-1(y/x)。