CN116711567B - 一种利用基于uwb技术的多功能搬运机器人的搬运方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于UWB技术的多功能搬运机器人及搬运方法，属于智能搬运装备设计领域，包括移动平台、UWB定位模块、控制模块；移动平台搭载自动卸载搬运模块或通用搬运模块，自动卸载搬运模块实现自动卸载，通用搬运模块搬运肥料或种子；跟随定位模块通过UWB通信技术对跟随目标以及移动平台进行定位，实现自主跟随及自动导航；控制模块接收UWB定位模块的位置信息，根据接收到的位置信息得出跟随目标和移动平台位于大棚中的位置，基于位置信息控制移动平台实现自主跟随搬运及自动导航卸载功能。本发明为温室种植茄果类、瓜类、花菜类蔬菜的采摘收获和种植施肥等农业作业的机械化、智能化运输提供一种可行性方案，节省了人力和物力。
Description
技术领域
本发明属于智能搬运装备设计技术领域，尤其涉及一种基于UWB技术的多功能搬运机器人及搬运方法。
背景技术
我国的作物栽培大多采用垄作的栽培方式，作物垄作栽培是在克服了传统平作栽培许多不利因素的基础上发展起来的一种新型耕作栽培方式；采用垄作栽培，由于垄台土层厚、土壤空隙度大，不易板结，更加有利于作物根系生长；设施农业对于改善作物质量，提高农民收益具有重要作用。随着国家大力发展农业机械化产业，我国目前针对温室耕整地、开沟、播种等作业环节已经具有机械化能力，但是针对温室蔬菜中期管理及采摘运输的机械化装置设计并不多，且茄果类、瓜类、花菜类蔬菜的中期管理和后期的采摘运输耗时耗力，采用人工完成会严重影响温室的生产效率。因此，本发明综合研究分析垄作设施大棚的工作环境特征，开发了一种基于UWB技术的多功能搬运机器人及对应的搬运方法，从而提高搬运效率，提升设施农业机械化水平。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于UWB技术的多功能搬运机器人及搬运方法，实现了在垄作设施大棚环境下的自主跟随搬运和自动导航卸载，为温室种植茄果类、瓜类、花菜类蔬菜的采摘收获和种植施肥等中期管理和后期采摘运输作业的机械化、智能化运输提供了一种可行性方案。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于UWB技术的多功能搬运机器人，包括移动平台以及安装在移动平台上的UWB跟随定位模块、控制模块，移动平台上还安装有自动卸载搬运模块或通用搬运模块；自动卸载搬运模块用于实现自动卸载，通用搬运模块用于实现搬运；控制模块接收UWB跟随定位模块的位置信息，根据接收到的位置信息计算跟随目标和搬运机器人位于大棚中的位置、跟随目标与搬运机器人之间距离，控制搬运机器人实现自主跟随及自动导航。
进一步地，所述UWB跟随定位模块包括移动基站、标签、固定基站，移动基站安装于移动平台四角位置处，标签由大棚内劳作的跟随目标佩戴，固定基站固定于大棚内。
进一步地，所述控制模块包括安装于移动平台上的控制柜，控制柜内置工控机、Arduino mega2560主控板、直流电机驱动器和伺服电机驱动器，控制柜上还设置有急停按钮（53）、压力按钮，压力按钮内部安装有压力传感器。
进一步地，所述移动平台包括两个履带底盘，履带底盘上均安装有支撑架，支撑架上表面均安装有一组可伸缩式竖向支撑梁，竖向支撑梁之间安装纵向梁，纵向梁上表面与竖向支撑梁顶部齐平，每根竖向支撑梁一侧的支撑架上均固定安装有一竖向电动推杆，竖向电动推杆的伸缩端与纵向梁连接；不同侧的两根相邻竖向支撑梁之间安装有可伸缩式横向梁，纵向梁之间安装有一组横向电动推杆；移动平台还包括由直流电机、主动链轮A、从动链轮A、链条A组成的动力系统，用于驱动履带底盘工作。
进一步地，所述自动卸载搬运模块包括安装于壳体内部主动链轮B和从动链轮B上的传送带，主动链轮B由伺服电机驱动；壳体安装在支撑柱A上，四个支撑柱A两两一组，每组的两个支撑柱A之间安装有横向支撑梁，支撑柱A上开设有插销孔B，自动卸载搬运模块通过支撑柱A插接安装在移动平台顶部，并通过插销固定。
进一步地，所述通用搬运模块包括支撑板，支撑板上安装有护栏，支撑板下表面安装有支撑柱B，四个支撑柱B两两一组，每组的两个支撑柱B之间安装有横向支撑梁B，支撑柱B上开设有插销孔C，通用搬运模块通过支撑柱B插接安装在移动平台顶部，并通过插销固定。
利用上述基于UWB技术的多功能搬运机器人的搬运方法，包括如下过程：
步骤1：跟随目标佩戴标签，启动搬运机器人，通过控制模块设置横向电动推杆和竖向电动推杆的预设伸长量，调整轮距以及离地间隙；然后按下压力按钮，搬运机器人进入自主跟随工作模式，跟随位于搬运机器人前方垄沟位置处的跟随目标；
步骤2：移动基站与标签进行通信并将二者之间的距离数据传输给控制模块，控制模块计算搬运机器人与跟随目标之间的实际距离，并与设定距离进行对比处理，根据处理结果控制搬运机器人实现行走和自动跟随；当搬运机器人装载结束或运载的物料用完后，再次按下压力按钮，控制模块将自主跟随工作模式切换为自动导航工作模式；
步骤3：移动基站与固定基站进行通信，并将距离数据传输给控制模块，控制模块计算移动基站与固定基站之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，确定搬运机器人位于大棚中的具体位置，然后进行路径规划，规划出从当前位置到卸载区域或装载区域的路径，根据规划路径控制搬运机器人行驶；
步骤4：搬运机器人到达目的地后，通过自动卸载搬运模块进行自动卸载操作或基于通用搬运模块进行人工装载操作；
步骤5：自动卸载或人工装载完成后，移动基站、标签和固定基站三者进行通信，并将距离数据传输给控制模块，控制模块计算移动平台、移动基站、固定基站标签三者之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，确定搬运机器人与跟随目标位于大棚的具体位置，然后进行路径规划，规划出从当前位置到跟随目标的路径，然后控制搬运机器人进入自动导航模式，并根据规划路径行驶；当搬运机器人到达与跟随目标之间的设定距离位置处时，将自动导航工作模式切换为自主跟随工作模式；
步骤6：重复步骤2至5，直至搬运工作完成。
进一步地，所述搬运机器人在自主跟随工作模式下，移动基站充当定位基站作用，四个移动基站分别为基站A、基站B、基站C、基站D，以基站C为原点，以基站C至基站D方向为x轴正向、基站C至基站B方向为y轴正向建立坐标系，移动基站与标签之间的距离通过改进TDOA定位算法计算得到；改进TDOA定位算法测距计算公式如下：
其中，表示基站A与基站B之间的距离；/>表示基站A与基站C或基站D之间的距离；/>表示基站B与基站C或基站D之间的距离；/>表示标签与基站A之间的距离；/>表示标签与基站B之间的距离；/>表示标签与基站C或基站D之间的距离；/>表示标签与基站A之间的脉冲信号飞行时间；/>表示标签与基站B之间的脉冲信号飞行时间；/>表示标签与基站C或基站D之间的脉冲信号飞行时间；/>表示光速；/>=3或4。
进一步地，所述跟随目标的位置，即标签的位置通过下式计算得到：
其中，为标签的坐标；/>为基站A的坐标；为基站B的坐标；/>为基站C或基站D的坐标。
进一步地，所述跟随目标与搬运机器人之间的距离通过下式计算得到：
其中，表示通过基站A、基站B、基站C或基站D对标签进行定位时所计算出的标签与基站A或基站B在y轴方向上的距离；/>表示标签在y轴上的坐标；/>表示基站A与基站D或基站B与基站C在y轴方向上的距离；/>表示通过基站A、基站B和基站C对标签进行定位时所计算出的标签与基站A或基站B在y轴方向上的距离；/>表示通过基站A、基站B和基站D对标签进行定位时所计算出的标签与基站A或基站B在y轴方向上的距离；/>表示跟随目标与搬运机器人之间在y轴方向上的距离。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种适用于上述方法的一种基于UWB技术的多功能搬运机器人及搬运方法，可以实现在垄作设施大棚环境下的自主跟随搬运和自动导航卸载，为温室种植茄果类、瓜类、花菜类蔬菜的采摘收获和种植施肥等农业作业的机械化、智能化运输提供一种可行性方案，同时可解放双手，以节省人力和物力，减少人工成本的投入。本发明提供的方案及装置结构合理，方便使用和维护，且操作简单，易于推广，可对垄作温室大棚的智能化搬运卸载起到一定的促进作用，产生较高的社会经济价值。
附图说明
图1为安装有自动卸载搬运模块的搬运机器人整体结构示意图。
图2为移动平台示意图。
图3为自动卸载搬运模块示意图。
图4为通用搬运模块示意图。
图5为安装有通用搬运模块的搬运机器人整体结构示意图。
图6为搬运机器人搬运示意图。
图7为改进TDOA定位算法原理图。
图中：移动平台1、自动卸载搬运模块2、通用搬运模块3、UWB跟随定位模块4、控制模块5、竖向支撑梁21、竖向电动推杆22、电动推杆固定装置23、履带底盘24、插销孔A25、纵向梁26、横向梁27、横向电动推杆28、蓄电池箱29、螺栓210、盖板211、电源线出口212、直流电机213、主动链轮A214、从动链轮A215、链条A216、链条B31、链板32、支撑柱A33、插销孔B34、横向支撑梁35、轴承端盖36、一字圆柱头螺钉37、链条张紧装置38、壳体39、伺服电机310、六角头螺栓311、支撑板41、护栏42、支撑柱B43、插销孔C44、横向支撑梁B45、移动基站51、控制柜52、急停按钮53、压力按钮54、卸载区域61、田垄62、垄沟63、搬运机器人64、标签65、固定基站66。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的基于UWB技术的多功能搬运机器人，包括移动平台1以及安装在移动平台1上的自动卸载搬运模块2、通用搬运模块3、UWB跟随定位模块4、控制模块5；自动卸载搬运模块2、通用搬运模块3根据实际使用需求选择安装。
如图2所示，移动平台1包括竖向支撑梁21、竖向电动推杆22、电动推杆固定装置23、履带底盘24、纵向梁26、横向梁27、横向电动推杆28、蓄电池箱29、直流电机213、主动链轮A214、从动链轮A215、链条A216。
如图2所示，搬运机器人64两侧的两个履带底盘24上均安装有支撑架，支撑架上表面均安装有一组可伸缩式竖向支撑梁21；具体地，竖向支撑梁21包括固定在支撑架上的第一竖向梁体，第一竖向梁体内插接安装有第二竖向梁体，第一竖向梁体以及第二竖向梁体上均沿竖向间隔均匀地开设有多个插销孔A25，第二竖向梁体能够在第一竖向梁体内沿竖向自由运动，且二者之间通过插销实现固定。第二竖向梁体上部安装有纵向梁26，且纵向梁26将同侧的两根第二竖向梁体连接起来，纵向梁26上表面与第二竖向梁体顶部齐平。每根竖向支撑梁21一侧的支撑架上均通过电动推杆固定装置23固定安装有一竖向电动推杆22，竖向电动推杆22的伸缩端与纵向梁26连接，竖向电动推杆22通过自身伸缩运动调节搬运机器人64的离地间隙。
如图2所示，不同侧的两根相邻第二竖向梁体之间安装有可伸缩式横向梁27，横向梁27的组成结构与竖向支撑梁21相同；纵向梁26之间安装有一组横向电动推杆28，横向电动推杆28通过自身伸缩运动调节搬运机器人64轮间距。
如图2所示，蓄电池箱29为搬运机器人64提供电源，整体安装于支撑架上，包括螺栓210、盖板211、电源线出口212。直流电机213、主动链轮A214、从动链轮A215、链条A216组成动力系统，驱动履带底盘24工作。
如图1、3所示，自动卸载搬运模块2包括链条B31、链板32、支撑柱A33、横向支撑梁A35、轴承端盖36、一字圆柱头螺钉37、链条张紧装置38、壳体39、伺服电机310、六角头螺栓311。链条B31与链板32组成传送带，安装于壳体39内部的主动链轮B和从动链轮B上；轴承端盖36内部轴承用于支撑传动轴带动从动链轮B；伺服电机310通过六角头螺栓311安装于壳体39上，通过联轴器与传动轴连接，带动主动链轮B运动，用于驱动传送带；链条张紧装置38用于链条B31的张紧；一字圆柱头螺钉37用于自动卸载壳体39内连接柱的固定，连接柱用于将左右两侧壳体连接在一起，并起到增加稳固性的作用。壳体39安装在支撑柱A33上，四个支撑柱A33两两一组，每组的两个支撑柱A33之间安装有横向支撑梁35，支撑柱A33上开设有插销孔B34，自动卸载搬运模块2通过支撑柱A33插接安装在移动平台1的竖向支撑梁21顶部，并通过插销固定。
如图4、5所示，通用搬运模块3包括支撑板41、护栏42、支撑柱B43、横向支撑梁B45。四个支撑柱B43两两一组，每组的两个支撑柱B43之间安装有横向支撑梁B45，支撑柱B43上开设有插销孔C44，通用搬运模块3通过支撑柱B43插接安装在移动平台1的竖向支撑梁21顶部，并通过插销固定。支撑板41安装在支撑柱B43上，支撑板41上安装有护栏42。
如图5、6所示，UWB跟随定位模块4包括移动基站51、标签65、固定基站66。移动基站51安装于纵向梁26端部，位于移动平台1四个不同的方位上，用于接收标签65和固定基站66的距离数据，并将距离数据传输给控制模块5；标签65放置于跟随目标上，用于移动基站51与固定基站66进行通信；固定基站66固定于大棚内，用于移动基站51与标签65进行通信。
如图5所示，控制模块5安装于履带底盘24支撑架上的控制柜52内，内置工控机、Arduino mega2560主控板、直流电机驱动器和伺服电机驱动器，控制柜52上还设置有急停按钮53、压力按钮54；急停按钮53为紧急情况下的保护措施；压力按钮54内部安装有压力传感器。
参照图6，利用上述基于UWB技术的多功能搬运机器人的搬运方法，包括如下过程：
根据实际需求在移动平台1上安装自动卸载搬运模块2时：
步骤1：跟随目标（即大棚劳作人员）佩戴标签65，将采摘工具等放至自动卸载搬运模块2上；启动搬运机器人64，根据当前作业环境的垄宽和垄高实际情况，设置搬运机器人64的轮距和离地间隙，即通过远程控制工控机，设置横向电动推杆28和竖向电动推杆22的伸长量，实现对轮距以及离地间隙的调整，在后续自动卸载完成后自动调节伸长量至该设定值，即恢复初始状态；
轮距以及离地间隙调整完成后，按下压力按钮54，搬运机器人64根据接收到的压力信号进入自主跟随工作模式，即跟随位于搬运机器人64前方垄沟63位置处从事采摘收获等工作的佩戴标签65的跟随目标。
步骤2：搬运机器人64进入自主跟随工作模式后，搬运机器人64在垄作大棚里行驶（履带底盘24位于田垄62两侧的垄沟63位置），行驶过程中，实时检测移动基站51、标签65、固定基站66三者之间的通讯是否超时，确认为超时检查各模块是否正常启动，确认为未超时即表明UWB通讯正常，移动基站51与标签65进行通信，并将二者之间的距离数据通过Arduino mega2560主控板传输给工控机；
工控机根据距离数据计算搬运机器人64与跟随目标之间的实际距离，并与设定距离进行对比处理，处理结果由工控机发送给Arduino mega2560主控板，Arduino mega2560主控板根据处理结果控制搬运机器人64实现行走和自动跟随，具体地，当搬运机器人64与跟随目标之间实际距离大于设定距离时，通过直流电机驱动器控制移动平台1的直流电机213工作，带动履带底盘24运动，使得搬运机器人64向跟随目标方向运动；当搬运机器人64与跟随目标实际距离小于等于设定距离时，控制搬运机器人64静止不动；搬运机器人64静止不动的过程中，大棚劳作人员正在进行采摘工作，并将所采摘收获的农作物放入所携带的采收篮或采收袋中，待采收篮或采收袋装满后再装载至搬运机器人64的传送带上；
当装载结束后，再次按下压力按钮54，压力信号通过Arduino mega2560主控板传输给工控机，工控机将自主跟随工作模式切换为自动导航工作模式，搬运机器人64进入自动导航工作模式，而此时大棚劳作人员继续进行采摘收获等工作。
步骤3：搬运机器人64进入自动导航工作模式后，移动基站51与固定基站66进行通信，并将距离数据通过Arduino mega2560主控板传输给工控机；工控机根据距离数据计算移动基站51与固定基站66之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，进而确定搬运机器人64位于大棚中的具体位置；然后，工控机根据搬运机器人64位于大棚中的具体位置，进行路径规划，规划出从当前位置到卸载区域61的路径，并将路径规划结果发送给Arduinomega2560主控板，Arduino mega2560主控板通过直流电机驱动器控制移动平台1的直流电机213工作，带动履带底盘24运动，带动搬运机器人64向着卸载区域61行驶。
步骤4：当搬运机器人64行驶至卸载区域61时，停止运动，进行自动卸载：工控机根据既定程序，将驱动信息发送给Arduino mega2560主控板，首先控制竖向电动推杆22带动自动卸载搬运模块2整体下降，直至与卸载区域61的卸载平台高度一致，然后通过伺服电机驱动器控制伺服电机310工作，通过传送带将搬运物自动卸载到卸载平台上，卸载完成后（伺服电机310转过所预设的角度后，认定为卸载完成），通过竖向电动推杆22带动自动卸载搬运模块2回到所设定的初始高度位置处。
步骤5：卸载完成后，移动基站51、标签65和固定基站66三者进行通信，并将距离数据通过Arduino mega2560主控板传输给工控机；工控机根据距离数据计算移动基站51、固定基站66和标签65三者之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，进而确定搬运机器人64以及跟随目标位于大棚的具体位置，进行路径规划，规划出从当前位置到跟随目标的路径，并将路径规划结果发送给Arduinomega2560主控板，然后通过直流电机驱动器控制直流电机213工作，根据既定程序进入自动导航模式，进行下一阶段的自动导航，当搬运机器人64到达与跟随目标之间的设定距离位置处时，工控机将自动导航工作模式切换为自主跟随工作模式。
步骤6：重复步骤2至5，直至搬运工作完成。
根据实际需求在移动平台1上安装通用搬运模块3时：
步骤1：跟随目标（即大棚劳作人员）佩戴标签65，将种苗或肥料等放至通用搬运模块3上；启动搬运机器人64，根据当前作业环境的垄宽和垄高实际情况，设置搬运机器人64的轮距和离地间隙，即通过远程控制工控机，设置横向电动推杆28和竖向电动推杆22的伸长量，实现对轮距以及离地间隙的调整，在后续自动卸载完成后自动调节伸长量至该设定值，即恢复初始状态；轮距以及离地间隙调整完成后，按下压力按钮54，搬运机器人64进入自主跟随工作模式；
步骤2：搬运机器人64进入自主跟随工作模式后，搬运机器人64在垄作大棚里行驶，行驶过程中，实时检测移动基站51、标签65和固定基站66三者之间的通讯是否超时，确认为超时检查各模块是否正常启动，确认为未超时即UWB通讯正常；移动基站51与标签65进行通信，并将二者之间的距离数据通过Arduino mega2560主控板传输给工控机；
工控机根据距离数据计算搬运机器人64与跟随目标之间的实际距离，并与设定距离进行对比处理；处理结果由工控机发送给Arduino mega2560主控板，Arduino mega2560主控板根据处理结果控制搬运机器人64实现行走和自动跟随，具体地，当搬运机器人64与跟随目标之间实际距离大于设定距离时，通过直流电机驱动器控制移动平台1的直流电机213工作，带动履带底盘24运动，使得搬运机器人64向跟随目标方向运动；当搬运机器人64与跟随目标实际距离小于等于设定距离时，控制搬运机器人64静止不动；搬运机器人64静止不动的过程中，大棚劳作人员根据农事劳作需要，将种苗或肥料等拿下进行种植或施肥等工作；
当搬运机器人64所运载的种苗或肥料用完后，按下压力按钮54，压力信号通过Arduino mega2560主控板传输给工控机，工控机将自主跟随工作模式切换为自动导航工作模式，搬运机器人64进入自动导航工作模式，大棚劳作人员继续进行种植或施肥等工作。
步骤3：搬运机器人64进入自动导航工作模式后，移动基站51与固定基站66进行通信，并将距离数据通过Arduino mega2560主控板传输给工控机；工控机根据距离数据计算移动基站51与固定基站66之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，进而确定搬运机器人64位于大棚中的具体位置；工控机根据搬运机器人64位于大棚中的具体位置，进行路径规划，规划出从当前位置到装载区域的路径，并将路径规划结果发送给Arduinomega2560主控板，然后通过直流电机驱动器控制移动平台1的直流电机213工作，带动履带底盘24运动，带动搬运机器人64向着装载区域行驶。
步骤4：当搬运机器人64行驶至装载区域时，停止运动，进行人工装载：工控机根据既定程序，将驱动信息发送给Arduino mega2560主控板，首先控制竖向电动推杆22带动通用搬运模块3整体下降至搬运机器人64离地间隙最小，方便人工装载种苗或肥料等；装载完成后，按下压力按钮54，压力信号通过Arduino mega2560主控板传输给工控机，将驱动信息发送给Arduino mega2560主控板，控制竖向电动推杆22带动通用搬运模块3回到所设定的初始高度位置处。
步骤5：装载完成后，移动基站51、标签65和固定基站66三者进行通信，并将距离数据通过Arduino mega2560主控板传输给工控机；工控机根据距离数据计算移动平台1移动基站51、固定基站66和标签65三者之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，进而确定搬运机器人64与跟随目标位于大棚的具体位置，进行路径规划，规划出从当前位置到跟随目标的路径，并将路径规划结果发送给Arduino mega2560主控板，然后通过直流电机驱动器控制直流电机213工作，根据既定程序进入自动导航模式，进行下一阶段的自动导航，当搬运机器人64到达与跟随目标之间的设定距离位置处时，工控机将自动导航工作模式切换为自主跟随工作模式。
步骤6：重复步骤2至5，直至搬运工作完成。
上述搬运过程中，移动基站51在不同工作模式下通信时作用不同：
自动导航工作模式下，移动基站51充当定位标签作用；如图7所示，根据温室大棚的实际面积大小合理设置固定基站66的数量；四个移动基站51与固定基站66之间的距离分别通过传统多基站TDOA定位算法计算得到，然后对比移动基站51在搬运机器人64上的安装位置，从而计算出搬运机器人64在温室大棚中位置；标签65与固定基站66之间的距离通过传统多基站TDOA定位算法计算得到，从而计算出跟随目标在温室大棚中位置；
自主跟随工作模式下，四个移动基站51充当定位基站作用；如图7所示，将四个移动基站51分别简称为基站A、基站B、基站C、基站D，以基站C为原点，以基站C至基站D方向为x轴正向、基站C至基站B方向为y轴正向建立坐标系，其中，基站A、基站B、基站C、基站D分别对应图7中的Anc1、Anc2、Anc3、Anc4，跟随目标（即标签65）对应图7中的Tag；移动基站51与标签65之间的距离通过改进TDOA定位算法计算得到，从而计算出跟随目标与搬运机器人64在y轴方向上的距离（由于搬运机器人和跟随目标均在垄间行走，故只考虑y轴方向上的距离；所述改进TDOA定位算法测距计算公式如下：
其中，表示基站A与基站B之间的距离；/>表示基站A与基站C或基站D之间的距离；/>表示基站B与基站C或基站D之间的距离；/>表示标签65与基站A之间的距离；/>表示标签65与基站B之间的距离；/>表示标签与基站C或基站D之间的距离；/>表示标签65与基站A之间的脉冲信号飞行时间；/>表示标签65与基站B之间的脉冲信号飞行时间；/>表示标签65与基站C或基站D之间的脉冲信号飞行时间；/>表示光速；式中，/>=3或4；
跟随目标位置（即标签65位置）通过下式计算得到：
其中，为标签65的坐标；/>为基站A的坐标；为基站B的坐标；/>为基站C或基站D的坐标。
跟随目标与搬运机器人64之间的距离通过下式计算得到：
其中，表示通过基站A、基站B、基站C或基站D对标签65进行定位时所计算出的标签65与基站A（基站B）在y轴方向上的距离；/>表示标签65在y轴上的坐标；/>表示基站A（基站B）与基站D（基站C）在y轴方向上的距离；/>表示通过基站A、基站B和基站C对标签65进行定位时所计算出的标签65与基站A（基站B）在y轴方向上的距离；/>表示通过基站A、基站B和基站D对标签65进行定位时所计算出的标签65与基站A（基站B）在y轴方向上的距离；表示跟随目标与搬运机器人64之间在y轴方向上的距离。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用基于UWB技术的多功能搬运机器人的搬运方法，其特征在于，基于UWB技术的多功能搬运机器人包括移动平台(1)以及安装在移动平台(1)上的UWB跟随定位模块(4)、控制模块(5)，移动平台(1)上还安装有自动卸载搬运模块(2)或通用搬运模块(3)；自动卸载搬运模块(2)用于实现自动卸载，通用搬运模块(3)用于实现搬运；控制模块(5)接收UWB跟随定位模块(4)的位置信息，根据接收到的位置信息计算跟随目标和搬运机器人(64)位于大棚中的位置、跟随目标与搬运机器人(64)之间距离，控制搬运机器人(64)实现自主跟随及自动导航；
所述UWB跟随定位模块(4)包括移动基站(51)、标签(65)、固定基站(66)，移动基站(51)安装于移动平台(1)四角位置处，标签(65)由大棚内劳作的跟随目标佩戴，固定基站(66)固定于大棚内；
所述控制模块(5)包括安装于移动平台(1)上的控制柜(52)，控制柜(52)内置工控机、Arduino mega2560主控板、直流电机驱动器和伺服电机驱动器，控制柜(52)上还设置有急停按钮(53)、压力按钮(54)，压力按钮(54)内部安装有压力传感器；
搬运方法包括如下过程：
步骤1：跟随目标佩戴标签(65)，启动搬运机器人(64)，通过控制模块(5)设置横向电动推杆(28)和竖向电动推杆(22)的预设伸长量，调整轮距以及离地间隙；然后按下压力按钮(54)，搬运机器人进入自主跟随工作模式，跟随位于搬运机器人(64)前方垄沟(63)位置处的跟随目标；
步骤2：移动基站(51)与标签(65)进行通信并将二者之间的距离数据传输给控制模块(5)，控制模块(5)计算搬运机器人(64)与跟随目标之间的实际距离，并与设定距离进行对比处理，根据处理结果控制搬运机器人(64)实现行走和自动跟随；当搬运机器人(64)装载结束或运载的物料用完后，再次按下压力按钮(54)，控制模块(5)将自主跟随工作模式切换为自动导航工作模式；
步骤3：移动基站(51)与固定基站(66)进行通信，并将距离数据传输给控制模块(5)，控制模块(5)计算移动基站(51)与固定基站(66)之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，确定搬运机器人(64)位于大棚中的具体位置，然后进行路径规划，规划出从当前位置到卸载区域(61)或装载区域的路径，根据规划路径控制搬运机器人(64)行驶；
步骤4：搬运机器人(64)到达目的地后，通过自动卸载搬运模块(2)进行自动卸载操作或基于通用搬运模块(3)进行人工装载操作；
步骤5：自动卸载或人工装载完成后，移动基站(51)、标签(65)和固定基站(66)三者进行通信，并将距离数据传输给控制模块(5)，控制模块(5)计算移动平台(1)移动基站(51)、固定基站(66)标签(65)三者之间的实际距离，并与预先输入工控机的大棚地图进行对比，确定搬运机器人(64)与跟随目标位于大棚的具体位置，然后进行路径规划，规划出从当前位置到跟随目标的路径，然后控制搬运机器人(64)进入自动导航模式，并根据规划路径行驶；当搬运机器人(64)到达与跟随目标之间的设定距离位置处时，将自动导航工作模式切换为自主跟随工作模式；
步骤6：重复步骤2至5，直至搬运工作完成；
所述搬运机器人(64)在自主跟随工作模式下，移动基站(51)充当定位基站作用，四个移动基站(51)分别为基站A、基站B、基站C、基站D，以基站C为原点，以基站C至基站D方向为x轴正向、基站C至基站B方向为y轴正向建立坐标系，移动基站(51)与标签(65)之间的距离通过改进TDOA定位算法计算得到；改进TDOA定位算法测距计算公式如下：
其中，di,12表示基站A与基站B之间的距离；di,1n表示基站A与基站C或基站D之间的距离；di,2n表示基站B与基站C或基站D之间的距离；r1表示标签(65)与基站A之间的距离；r2表示标签(65)与基站B之间的距离；rn表示标签与基站C或基站D之间的距离；t1表示标签(65)与基站A之间的脉冲信号飞行时间；t2表示标签(65)与基站B之间的脉冲信号飞行时间；tn表示标签(65)与基站C或基站D之间的脉冲信号飞行时间；c表示光速；n＝3或4；
所述跟随目标的位置，即标签(65)的位置通过下式计算得到：
其中，(xi，yi，zi)为标签(65)的坐标；(x1，y1，z1)为基站A的坐标；
(x2，y2，z2)为基站B的坐标；(xn，yn，zn)为基站C或基站D的坐标；
所述跟随目标与搬运机器人(64)之间的距离通过下式计算得到：
其中，Pn表示通过基站A、基站B、基站C或基站D对标签(65)进行定位时所计算出的标签(65)与基站A(基站B)在y轴方向上的距离；yi表示标签(65)在y轴上的坐标；l表示基站A(基站B)与基站D(基站C)在y轴方向上的距离；P3表示通过基站A、基站B和基站C对标签(65)进行定位时所计算出的标签(65)与基站A(基站B)在y轴方向上的距离；P4表示通过基站A、基站B和基站D对标签(65)进行定位时所计算出的标签(65)与基站A(基站B)在y轴方向上的距离；P表示跟随目标与搬运机器人(64)之间在y轴方向上的距离。
2.根据权利要求1所述的搬运方法，其特征在于，所述移动平台(1)包括两个履带底盘(24)，履带底盘(24)上均安装有支撑架，支撑架上表面均安装有一组可伸缩式竖向支撑梁(21)，竖向支撑梁(21)之间安装纵向梁(26)，纵向梁(26)上表面与竖向支撑梁(21)顶部齐平，每根竖向支撑梁(21)一侧的支撑架上均固定安装有一竖向电动推杆(22)，竖向电动推杆(22)的伸缩端与纵向梁(26)连接；不同侧的两根相邻竖向支撑梁(21)之间安装有可伸缩式横向梁(27)，纵向梁(26)之间安装有一组横向电动推杆(28)；移动平台(1)还包括由直流电机(213)、主动链轮A(214)、从动链轮A(215)、链条A(216)组成的动力系统，用于驱动履带底盘(24)工作。
3.根据权利要求1所述的搬运方法，其特征在于，所述自动卸载搬运模块(2)包括安装于壳体(39)内部主动链轮B和从动链轮B上的传送带，主动链轮B由伺服电机(310)驱动；壳体(39)安装在支撑柱A(33)上，四个支撑柱A(33)两两一组，每组的两个支撑柱A(33)之间安装有横向支撑梁(35)，支撑柱A(33)上开设有插销孔B(34)，自动卸载搬运模块(2)通过支撑柱A(33)插接安装在移动平台(1)顶部，并通过插销固定。
4.根据权利要求1所述的搬运方法，其特征在于，所述通用搬运模块(3)包括支撑板(41)，支撑板(41)上安装有护栏(42)，支撑板(41)下表面安装有支撑柱B(43)，四个支撑柱B(43)两两一组，每组的两个支撑柱B(43)之间安装有横向支撑梁B(45)，支撑柱B(43)上开设有插销孔C(44)，通用搬运模块(3)通过支撑柱B(43)插接安装在移动平台(1)顶部，并通过插销固定。
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2023
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