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引言
在科技飛速發展的今天，智能移動設備的應用越來越廣泛，其中自動跟隨小車憑借其便捷性和高效性，在眾多領域展現出巨大的潛力。為了實現小車的精準跟隨功能，超寬帶（Ultra-Wideband, UWB）技術應運而生。UWB 技術以其獨特的優勢，為自動跟隨小車的發展提供了強有力的支持。
一、UWB 技術概述
（一）UWB 技術原理
UWB 是一種無線通信技術，它通過發射納秒級甚至皮秒級的窄脈沖來進行數據傳輸和測距。與傳統的無線通信技術不同，UWB 信號的帶寬極寬，通常超過 500MHz，甚至可達數 GHz。這種寬頻帶特性使得 UWB 在時間分辨率和距離測量精度上具有顯著優勢。
UWB 測距主要基于飛行時間（Time of Flight, TOF）原理。當一個 UWB 設備發送信號，另一個設備接收該信號時，通過測量信號從發送到接收所經歷的時間，再結合信號在空氣中的傳播速度（約為光速），就可以精確計算出兩個設備之間的距離。例如，一對 DWM1000 模塊，發送者發送信號并記錄時刻 t1，接收者收到信號后延時 t_reply 時間發送回復信號，發送者收到回復信號時記錄時刻 t2，那么信號飛行時間 TOF=(t2 - t1 - t_reply)/2，根據公式 d = c × TOF（c 為光速）即可算出距離 d。
（二）UWB 技術特點
高精度定位：能夠實現厘米級的定位精度，這是傳統無線技術如藍牙、Wi-Fi 等難以企及的。在自動跟隨小車的應用中，高精度定位確保了小車能夠實時、準確地感知目標位置，實現穩定可靠的跟隨效果，無論是在復雜的室內環境還是室外開闊地帶，都能滿足各種場景下的需求。
抗干擾能力強：UWB 信號占用寬的頻譜范圍，且能量分散在短的脈沖內。這使得 UWB 雷達系統對多徑干擾和窄帶干擾具有較強的抵抗力。在實際應用中，自動跟隨小車往往會面臨各種復雜的電磁環境，UWB 的抗干擾特性有效避免了因環境干擾導致的定位誤差，保證了系統的穩定性。
低功耗：UWB 雷達芯片采用先進的低功耗設計，在保證高精度定位的同時，能夠延長設備的續航時間。對于自動跟隨小車來說，長時間運行而無需頻繁充電或更換電池，大大提升了用戶體驗，也降低了使用成本。
信號穿透性好：UWB 信號能夠較好地穿透墻壁、障礙物等，不像一些其他無線信號容易受到遮擋而減弱或中斷。這一特性使得在室內環境中，即使目標與小車之間存在一定的遮擋物，UWB 仍能保持有效的通信和定位，增強了系統的實用性。
二、UWB 跟隨小車系統設計
（一）系統總體架構
UWB 跟隨小車系統主要由三大部分組成：UWB 定位模塊、小車運動控制模塊以及電源管理模塊。UWB 定位模塊負責實時獲取目標與小車之間的距離和相對位置信息；小車運動控制模塊根據定位信息，通過電機驅動等方式控制小車的運動，實現跟隨功能；電源管理模塊則為整個系統提供穩定的電力供應，并對電池電量進行監測和管理，確保系統能夠持續穩定運行。
（二）硬件設計
UWB 模塊：選用性能優良的 UWB 模塊，如 Decawave 公司的 DWM1000 模塊。該模塊集成了 UWB 射頻前端、基帶處理器等功能，能夠方便地實現 UWB 信號的收發和處理。在小車上安裝多個 UWB 模塊作為基站，一般至少需要三個，按一定的幾何布局（如等邊三角形）固定在小車頂部，這樣可以通過三角測量法更精確地確定目標的位置。同時，用戶攜帶一個 UWB 模塊作為標簽，當標簽進入基站的信號覆蓋范圍時，基站與標簽之間進行信號交互，實現距離測量和位置定位。
微控制器：選擇一款高性能、低功耗的微控制器作為小車的主控芯片，如 STM32 系列單片機。STM32 具有豐富的外設資源，強大的運算能力和較低的功耗，能夠滿足對 UWB 數據處理、電機控制以及其他功能模塊的協調管理需求。它通過串口或 SPI 等通信接口與 UWB 模塊進行數據通信，接收 UWB 模塊測量得到的距離信息，并根據預設的算法計算出目標的位置坐標，進而生成相應的運動控制指令。
電機驅動模塊：為了驅動小車的電機實現前進、后退、轉彎等動作，需要使用專門的電機驅動模塊。常見的電機驅動芯片如 L298N，它能夠提供足夠的電流來驅動直流電機。微控制器通過控制電機驅動模塊的輸入引腳電平，來控制電機的正反轉和轉速，從而實現對小車運動狀態的精確控制。
電源模塊：采用可充電的鋰電池為小車供電，以提供穩定的電力來源。同時配備電源管理芯片，對電池進行充電管理、過充過放保護以及電壓轉換等功能。例如，通過 DC-DC 降壓芯片將鋰電池的電壓轉換為適合各個模塊工作的電壓，如為微控制器提供 3.3V 電壓，為電機驅動模塊提供合適的工作電壓等。此外，電源模塊還可以實時監測電池電量，并將電量信息反饋給微控制器，以便在電量較低時及時提醒用戶充電或采取相應的節能措施。
其他輔助模塊：
避障傳感器：為了避免小車在跟隨過程中碰撞到障礙物，安裝漫反射光電傳感器或超聲波傳感器等避障傳感器。漫反射光電傳感器價格便宜、控制簡單，安裝在小車前方，當檢測到前方有障礙物時，傳感器會輸出信號給微控制器，微控制器則根據情況調整小車的運動方向或速度，實現避障功能。不過漫反射光電傳感器檢測距離相對較短，在一些對避障要求較高的場景中，可以結合超聲波傳感器，以獲得更遠距離和更全面的避障檢測效果。
OLED 顯示模塊：在小車上安裝 OLED 顯示模塊，用于顯示小車的一些運行狀態信息，如電池電量、當前速度、與目標的距離等。這樣用戶可以直觀地了解小車的工作情況，方便對小車進行監控和調試。OLED 顯示模塊具有功耗低、顯示清晰、體積小等優點，非常適合應用于小型智能設備中。
通信模塊（可選）：如果需要實現遠程控制或與其他設備進行數據交互，可以添加無線通信模塊，如 Wi-Fi 模塊或藍牙模塊。通過 Wi-Fi 模塊，小車可以連接到局域網，用戶可以通過手機 APP 或電腦端軟件對小車進行遠程控制，同時小車也可以將采集到的數據上傳到服務器或與其他設備共享。藍牙模塊則適用于短距離通信場景，如與用戶的手機進行簡單的數據交互和控制。
（三）軟件設計
UWB 數據處理算法：
TOF 算法實現：在軟件中實現 TOF 算法，根據 UWB 模塊發送和接收信號的時間戳，精確計算出標簽與各個基站之間的距離。通過對多個距離測量值進行濾波處理，如采用卡爾曼濾波算法，可以有效去除噪聲干擾，提高距離測量的準確性和穩定性。
位置解算算法：基于三角測量法或多邊測量法，利用多個基站與標簽之間的距離信息，解算出標簽（即目標）在小車坐標系中的位置坐標。以三角測量法為例，假設三個基站在小車上的位置坐標已知，通過測量標簽到這三個基站的距離，根據三角形的幾何關系，可以通過解方程組的方式計算出標簽的坐標。在實際應用中，為了提高位置解算的精度和可靠性，可以采用加權最小二乘法等優化算法對解算結果進行進一步處理。
運動控制算法：
路徑規劃算法：根據目標的位置坐標以及小車當前的位置和姿態，規劃出小車的運動路徑。常見的路徑規劃算法有 A * 算法、Dijkstra 算法等。在簡單的跟隨場景中，可以采用基于距離和角度的直接跟隨算法，即根據目標與小車之間的距離和角度偏差，計算出小車需要前進的速度和轉彎的角度，使小車能夠沿著最短路徑或最優路徑跟隨目標。例如，如果目標在小車前方且偏離小車當前行駛方向一定角度，小車則根據這個角度偏差調整轉向電機，同時根據距離調整前進速度，使自己逐漸靠近目標并保持跟隨狀態。
PID 控制算法：為了實現小車運動的精確控制，采用 PID（比例 - 積分 - 微分）控制算法對電機的轉速和轉向進行調節。PID 控制器根據小車當前的實際位置與目標位置之間的偏差，通過調整比例系數、積分系數和微分系數，計算出合適的控制量，輸出給電機驅動模塊，從而使小車能夠快速、穩定地跟蹤目標位置的變化，減少運動過程中的振蕩和誤差。在實際應用中，需要根據小車的具體性能和運行環境，對 PID 參數進行調試和優化，以達到最佳的控制效果。
系統軟件流程：
系統初始化：在小車啟動時，對各個硬件模塊進行初始化設置，包括 UWB 模塊、微控制器、電機驅動模塊、避障傳感器、OLED 顯示模塊等。初始化過程中，配置各個模塊的工作參數，如 UWB 模塊的通信頻率、微控制器的時鐘頻率、電機驅動模塊的控制模式等，確保各個模塊能夠正常工作。
UWB 數據采集：UWB 模塊持續發送和接收信號，采集標簽與基站之間的距離數據，并將這些數據通過通信接口傳輸給微控制器。微控制器對接收到的數據進行預處理，如去除異常值、濾波等，以提高數據的可靠性。
位置解算與路徑規劃：微控制器根據預處理后的 UWB 距離數據，運用位置解算算法計算出目標的位置坐標。然后結合小車當前的位置和姿態信息，采用路徑規劃算法規劃出小車的運動路徑，并生成相應的運動控制指令，包括前進速度、轉彎角度等。
運動控制與避障：電機驅動模塊根據微控制器發送的運動控制指令，驅動電機運轉，使小車按照規劃的路徑運動。在小車運動過程中，避障傳感器實時檢測前方是否存在障礙物。一旦檢測到障礙物，避障傳感器立即向微控制器發送信號，微控制器暫停當前的運動控制指令，啟動避障程序，通過調整小車的運動方向或速度，使小車避開障礙物后再恢復原來的跟隨路徑。
狀態顯示與通信（可選）：OLED 顯示模塊實時顯示小車的運行狀態信息，如電池電量、速度、與目標的距離等。如果小車配備了通信模塊，微控制器還可以將小車的運行數據通過無線通信方式發送給遠程設備，同時接收遠程設備發送的控制指令，實現遠程控制功能。