《UWB定位算法在智能小車中的應(yīng)用與優(yōu)化（論文）11000字》

UWB定位算法在智能小車中的應(yīng)用與優(yōu)化內(nèi)容摘要：隨著智能小車的發(fā)展，對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，在小車上裝置標簽、電機驅(qū)動模塊、紅外線循跡模塊、基于超聲波原理設(shè)計的避障模塊等，主控部分使用STM32單片機。在房間內(nèi)布置基站，在基站與標簽之間傳輸無線信號，根據(jù)UWB定位算法來確定標簽與基站之間的距離，之后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，并在上位機上顯示小車的運動軌跡。UWB定位算法包括飛行時間測距算法（TimeofFlight,ToF）和三邊定位算法,ToF算法測距原理為測量基站與標簽之間信號的單向飛行時間，進而求出距離；三邊定位算法原理為以標簽到三個基站的距離為半徑分別作圓，通過確定三個圓的交點實現(xiàn)對標簽的定位功能。最后，做了基于UWB無線定位技術(shù)的智能定位小車的實驗，實驗表明，本文所設(shè)計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TOC\o"1-3"\h\u10937第一章緒論 336321.1研究背景及意義 3199121.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3106781.2.1UWB定位國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3316761.2.2智能小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4292861.3本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 411687第二章UWB無線定位技術(shù) 5103482.1UWB定位理論 5216202.2UWB定位優(yōu)勢 554812.3UWB定位方法 6312472.3.1ToF測距 6126662.3.2三邊定位 713391第三章基于UWB技術(shù)的智能小車的系統(tǒng)實現(xiàn) 9277703.1智能小車系統(tǒng)設(shè)計 9297843.1.1總體框架 966673.1.2電源模塊 9178513.1.3控制模塊 10118453.1.4電機驅(qū)動模塊 10112763.1.5循跡模塊 11240533.1.6避障模塊 1146543.2UWB定位系統(tǒng)設(shè)計 12298513.2.1總體框架 12310333.2.2DW1000芯片 13112943.2.3上位機系統(tǒng)設(shè)計 14173843.2.4串口模塊 1421261第四章系統(tǒng)測試結(jié)果及分析 16108174.1測試環(huán)境搭建 16159174.2測試方案設(shè)計 16326444.3測試結(jié)果及分析 17100104.3.1循跡功能 1712034.3.2避障功能 17269494.3.3定位功能 175163第五章總結(jié)與展望 18224255.1總結(jié) 1859205.2展望 1831752參考文獻 20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)置的模式自動行進的移動機器人，其系統(tǒng)涵蓋了電子、通信、傳感器及人工智能等多個方面，是當前科技領(lǐng)域的研究熱點REF_Ref14185\r\h[1]。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)域也有重要價值。傳統(tǒng)的智能定位小車實現(xiàn)定位功能是通過北斗定位系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，但他們對室內(nèi)環(huán)境卻無法實現(xiàn)有效定位（林哲宏、趙文輝、宋承志,2022)。這在某種程度上凸顯了為了解決室內(nèi)定位精準性的問題，科研人員研究出許多技術(shù)來實現(xiàn)室內(nèi)定位，例如：紅外線定位、利用超聲波實現(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)會對超聲室內(nèi)定位的精準性產(chǎn)生干擾，而無線室內(nèi)定位的缺點則是功耗較高。所以，以上幾種定位技術(shù)都難以滿足對室內(nèi)精準定位的要求(高宇彬、劉子騰、周曉峰,2023)。超寬帶（UltraWideBand,UWB）是一項全新的無線通信技術(shù)，利用非常窄的脈沖來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸REF_Ref16092\r\h[2]，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、定位精度也更加精準，因此，通常被用來對室內(nèi)的物體進行定位導(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)可以實時提供智能小車的位置，所以對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、功耗小、可以達到很高的定位精度，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方法，為分析相關(guān)傳播參數(shù)帶來幫助(鄧明煜、鄭澤濤、梁佳俊,2021)REF_Ref24353\r\h[3]。波蘭學(xué)者KolakowskiM和Djaja-JoskoV提出了一種利用到達時間差（TDOA）計算標簽之間距離的協(xié)同超寬帶系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)使用的算法為擴展卡爾曼濾波算法。這在某種程度上標明實驗表明，采用這種算法可以使目標定位精度的準確性提高(羅毅和、唐昱澤、李浩然,2021)REF_Ref21934\r\h[4]。相較于國外而言，我國對于超寬帶技術(shù)的研究和應(yīng)用起步比較晚。2001年，國內(nèi)率先提出了超寬帶技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進行了相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)REF_Ref27169\r\h[5]。2007年，國家“863”計劃提出，要解決目前國內(nèi)超寬帶協(xié)議芯片的難題，逐步縮小與世界先進水平的差距(陳思遠、吳東升、王俊豪,2023)REF_Ref27251\r\h[6]。盡管本文尚未完全挖掘這一部分的研究結(jié)論，但從現(xiàn)有成果來看，已展現(xiàn)出一定的指導(dǎo)意義。首先，初步結(jié)果為該領(lǐng)域提供了新穎的視角和洞見，有助于辨識關(guān)鍵因素及其互動機制，為后續(xù)深入研究打下了堅實基礎(chǔ)。其次，這些發(fā)現(xiàn)揭示了若干潛在趨勢和模式，能夠為理論框架的構(gòu)建提供實證依據(jù)，并激發(fā)更多的學(xué)術(shù)討論與辯論。隨著我國政府對超寬帶通信技術(shù)的重視，東南大學(xué)、南京郵電大學(xué)等學(xué)校立刻對UWB通信技術(shù)進行研究。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；這在某種程度上反映出南京郵電大學(xué)改造了超寬帶信號收發(fā)機，大大改善了信號的傳輸質(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)，實現(xiàn)了協(xié)同發(fā)展(崔子聰、徐佳豪、楊潤澤,2023)。此外，還有很多學(xué)者也進行了UWB技術(shù)的研究。魏培、姜平等人研制了一種采用多個基站測距的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以有效解決標簽之間相互沖突的難題REF_Ref25197\r\h[7]。張桀、沈重兩人提出了一種超寬帶定位算法REF_Ref24991\r\h[8]，這種算法將改進到達時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、運輸?shù)阮I(lǐng)域。國外相對于國內(nèi)而言，對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)雜路況中完成避障的自主駕駛汽車(謝凌峰、董冠宇、孫睿東,2023)REF_Ref28329\r\h[9]。這在一定意義上揭示了法國信息與自動化研究所研發(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，而且實際的運行距離已達到22.5萬千米(王子豪、宋晨昊、林俊浩,2023)。盡管我國對智能小車的研究起步較晚，但是到目前為止，已經(jīng)有了很多重要的進展。1992年，國內(nèi)第一輛無人駕駛汽車的成功運行，為我國研究無人駕駛汽車奠定了基礎(chǔ)(賈俊杰、彭宇飛、蔣明宇,2023)REF_Ref29952\r\h[10]。2005年，這在某種程度上彰顯了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器人。2013年12月，“玉兔號”月球車順利實現(xiàn)發(fā)射，該車搭載了多種科學(xué)探測儀器，既可以進行攀爬，也可以實現(xiàn)越障功能(張思博、馮浩然、周志翔,2023)。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和汽車系統(tǒng)相互連接起來，達到交互功能。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，在小車上搭載標簽，從而實現(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)的實現(xiàn)方法。第三章是設(shè)計基于UWB技術(shù)的智能定位小車的定位系統(tǒng)。首先對整個智能小車系統(tǒng)的總體框架進行描述，并對各個模塊展開介紹；其次，介紹了UWB定位系統(tǒng)的各個部分，詳細介紹每個部分所需芯片的工作原理；最后，對該定位系統(tǒng)進行測試驗證。第四章對基于UWB技術(shù)的智能定位小車進行測試并分析。主要對定位的精準性進行測試。第五章是總結(jié)與展望，對基于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窄帶信號進行調(diào)制，而實際情況中信號的帶寬卻很小，從而導(dǎo)致頻帶利用率下降(李澤和、許凌云、鄭晨星,2023)。UWB與常規(guī)的定位技術(shù)相比，在其中能看出沒有載波分量，而且脈沖作用時間很短，從而在頻段范圍內(nèi)實現(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)REF_Ref29952\r\h[11]，可以在沒有物理連接的情況下，將其它的各種設(shè)備如電腦連接在一起。ZigBee適用于短距離，盡管這種方法的計算量比較低，數(shù)據(jù)傳輸速率也比較低，但是它的成本很低。藍牙技術(shù)是一種低功耗定位技術(shù)，適用于近距離定位，在室內(nèi)安裝藍牙系統(tǒng)，就可以獲取目標的位置信息。其優(yōu)點是無線信號不易受視距因素的干擾，缺點是成本較高。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(鄒宇凡、孫云飛、趙博文,2023)：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UWB所具備的頻段范圍更廣，信道的傳輸速率也就會更高(王柏林、劉凱文、鄭智明,2023)。系統(tǒng)抗干擾能力強從射頻原理上來看，UWB的抗干擾能力遠強于一般電磁波，而且與傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)相比，受到外部環(huán)境干擾信號的影響也會更小(高旭東、段梓熙、謝昊和,2023)。（3）穿透性強UWB信號可以直接穿過所有的障礙，完成室內(nèi)定位功能。這正是與衛(wèi)星定位相比最大的優(yōu)點，因為在進入房間或有障礙物的情況下，這明顯體現(xiàn)出特征衛(wèi)星信號的強度很小，接收機無法接受到有效信號，不能進行準確地定位(馬天宇、鄧文浩、楊俊杰,2023)。而超寬帶定位技術(shù)能夠有效克服這一問題。（4）功耗較低超寬帶無線電頻率超過1GHz，在傳輸過程中所需的平均功率很低。在短途通信中，發(fā)射機的傳輸功率低于1mW；為了使系統(tǒng)運行時間更長，可以通過降低發(fā)射效率來實現(xiàn)(陳志偉、李天昊、吳昕宇,2023)。（5）定位精度高UWB定位精度為厘米級別。頻帶寬度與信號的解析度呈正相關(guān)。超寬帶技術(shù)的寬頻特性為超寬帶系統(tǒng)提供了比其他常規(guī)系統(tǒng)更好的優(yōu)點，在某些情況下，其分辨率比常規(guī)系統(tǒng)要高出百倍，而且定位精度一般不超過幾公分(何子怡、趙樂然、黃明和,2023)。2.3UWB定位方法UWB技術(shù)實現(xiàn)精準定位的關(guān)鍵是通過一定算法來獲取小車的位置信息，通過小車的這些信息來確定電子標簽的坐標(李國偉、邱子豪、周悅文,2023)。UWB定位技術(shù)使用的算法分為兩部分，首先是采用飛行時間測距算法（TimeofFlight,TOF）求出標簽到基站的距離，從這些數(shù)據(jù)中顯現(xiàn)之后利用三邊定位算法確定標簽的位置REF_Ref29952\r\h[12]。最后利用上位機顯示出小車的運動軌跡。此項發(fā)現(xiàn)與葛飛合教授的研究成果相吻合，在設(shè)計和最終分析中均表現(xiàn)出一致性。研究初期采用了結(jié)構(gòu)化的方法論，保證了從構(gòu)思到執(zhí)行的每個階段都有理有據(jù)。本研究也注重理論體系的建立，這不僅為具體的設(shè)計決策提供了堅實的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，還加深了對變量間復(fù)雜關(guān)聯(lián)的理解。此外，項目強調(diào)多學(xué)科協(xié)作的重要性，通過融合不同領(lǐng)域的知識提升了方案的全面性和創(chuàng)新性，使團隊能夠迅速應(yīng)對新挑戰(zhàn)并適時調(diào)整研究方向。表2.1不同室內(nèi)定位技術(shù)的性能對比定位技術(shù)UWB藍牙Wi-FiZigBee最大傳輸速率110Mb/s1Mb/s54Mb/s250Kb/s抗干擾強弱較強/穿透性強弱強/功耗低較低高/定位最遠距離200m10m30-50m100m定位精度0.1-0.15m3-5m3-10m5-10m2.3.1ToF測距ToF（TimeofFlight）飛行時間測距法是通過計算兩個設(shè)備之間無線電磁波傳輸所需的時間，也就是說計算無線電磁波的發(fā)送時刻和接收時刻REF_Ref8072\r\h[13]，進而換算成兩個設(shè)備之間的距離(譚天琪、黃博文、王沛誠,2023)。ToF可以分為直接ToF和間接ToF，直接ToF的原理是直接計算信號的飛行時間，采用脈沖調(diào)制方式；間接ToF的原理是利用相位差間接計算信號的飛行時間，采用連續(xù)波調(diào)制方式(劉志澤、蔡文俊、趙書豪,2023)。直接ToF與間接ToF相比，從這些互動中理解具有功耗更低、測量精度更精準、快速響應(yīng)等優(yōu)點，所以本文采用的是測距方法為直接ToF。圖2.1ToF測距原理圖一共有兩個設(shè)備，分別是發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備，對應(yīng)到本次設(shè)計則為基站與標簽，發(fā)送端在時刻將信號發(fā)送給接收端，在一段時間的傳播之后，信號在時刻到達接收端，接收端收到信號后，這在某種程度上凸顯了又在一段時間后把信號發(fā)送到發(fā)送端，發(fā)送端在時刻收到信號。測距原理如圖2.1所示(田睿澤、周凱宇、馮若旭,2023)。把發(fā)送端發(fā)出信號到發(fā)送端接收到來自接收端發(fā)送的信號的時間間隔記為，；把信號到達接收端到接收端再把信號發(fā)出去的時間間隔記為，。因為兩個設(shè)備的時鐘頻率相同，因此信號在兩個設(shè)備之間的單向飛行時間，將兩個設(shè)備之間的距離記為,則,其中代表無線電磁波傳播速度(朱曉瑞、鄧景然、鐘浩宇,2023)。這在某種程度上標明室內(nèi)定位的測距是以視距為基礎(chǔ)測量的，若有障礙物存在，則會增加接收時間，增加測量距離(羅俊騰、楊涵德、張建偉,2023)。另外，不同的基站之間的時鐘會有細微的差別，若能使基站的時間脈沖保持同步，就能提高定位的準確率。為了確保研究結(jié)論的穩(wěn)健性和公信力，本文首先廣泛收集并仔細審查了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)典及最新文獻，以此搭建了一個堅實的研究基礎(chǔ)。這不僅幫助本文確定了研究問題的獨特價值，也保證了本文的研究是在充分掌握現(xiàn)有知識的前提下進行的。本文選用了多種來源的第一手和第二手資料，如相關(guān)文獻、官方統(tǒng)計等，這些資料因其權(quán)威性、時效性和代表性而被選用，以確保能從不同視角全面反映研究主題的真實面貌。2.3.2三邊定位三邊定位原理為繪制三個圓，圓心為三個基站所在的位置，半徑為通過ToF算法求得的標簽到三個基站的距離，標簽的位置就是三個圓相交的點的坐標，從而實現(xiàn)對標簽的定位。三邊定位原理如圖2.2所示(朱文杰,崔怡君,2023)。圖2.2三邊定位原理圖將三個基站的坐標設(shè)為，，，搭載標簽的小車的坐標為，對應(yīng)的標簽到基站之間相應(yīng)的距離分別為。這在某種程度上反映出通過一系列方程組即可確定標簽的坐標(徐澤宇、賈宏偉、趙云龍,2023)。（2.1）式（2.1）為非線性方程組，由方程組中前個方程減去第個方程，便可得到線性方程（2.2）其中（2.3）（2.4）用最小二乘法解得(韓天翔、馮子凡、陸佳輝,2023)（2.5）理想條件下，畫的三個圓剛好交于唯一一點。但各個部分的功耗都不相同，所以測量出的距離不會是理想條件下的(王振宇、劉子睿、張雨澤,2023)。事實上，三個圓是在一片小區(qū)域內(nèi)相交，所以利用三邊定位算法計算出的坐標值有偏差存在。這在一定意義上揭示了要解決這一問題，就要求使用一種更優(yōu)的算法來估算出一個比較理想的位置，并將它作為該坐標的最優(yōu)解。這部分內(nèi)容的構(gòu)思受到了章和寧教授相關(guān)主題研究的啟發(fā)，主要體現(xiàn)在理念導(dǎo)向和方法論上。在思想脈絡(luò)方面，本研究遵從了章教授所強調(diào)的整體性和邏輯連貫性。通過對研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)與操作機制的深入剖析，本文不僅采納了章教授提出的多維度、多視角分析問題的方法，還將其理論應(yīng)用于實踐，確保研究結(jié)果的完整性和精確度。在研究手法上，本文采用了章教授推薦的定量與定性結(jié)合的方法，為研究提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。第三章基于UWB技術(shù)的智能小車的系統(tǒng)實現(xiàn)3.1智能小車系統(tǒng)設(shè)計3.1.1總體框架本文所設(shè)計的智能小車系統(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?？刂颇K使用STM32單片機。在其中能看出電機驅(qū)動模塊需要使用到L298N芯片來達到驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的目的(高永濤、李俊琦、劉瑾瑜,2023)。循跡模塊使用的傳感器為TCRT5000傳感器，實現(xiàn)小車根據(jù)目標軌跡行進的功能。避障模塊鑒于超聲波原理實現(xiàn)檢測障礙物功能。標簽?zāi)K采用DW1000芯片。圖3.1智能小車設(shè)計框圖3.1.2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毫米的標準型鋰離子電池。18650鋰電池與一般電池相比電池容量更大，這明顯體現(xiàn)出特征而且使用時間也比一般的鋰離子電池要長一倍(魏子和、趙宇航、鄭浩澤,2023)。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。圖3.218650鋰電池實物圖3.1.3控制模塊該模塊以STM32單片機為主控制器，STM32單片機與51單片機相比，接口資源更加豐富，運算速度也更快，從這些數(shù)據(jù)中顯現(xiàn)大約是52單片機的幾十倍(劉宏偉,張若彤,2023)。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REF_Ref12249\r\h[15]，屬于ST公司的STM32系列。STM32F103C8T6芯片如圖3.3所示。圖1STM32F103C8T6芯片引腳圖圖3.3STM32F103C8T6芯片引腳圖該芯片一共有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)，并對所接收的信息進行控制(郭辰逸,何佳怡,2023)。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?。引腳20和引腳44是模式選擇引腳，從這些互動中理解其功能是確定芯片運行程序的位置(李思穎,王心怡,2023)。3.1.4電機驅(qū)動模塊該模塊使用的芯片是是L298N驅(qū)動芯片。L298N芯片的作用是與周圍電路共同構(gòu)成電機驅(qū)動模塊，使電機轉(zhuǎn)動(孫俊濤,黃思遠,2023)。這在某種程度上凸顯了電機不能直接連接電源進行轉(zhuǎn)動，L298N能夠接受高電壓，一片芯片能夠同時對兩臺電機實現(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，從而直接控制電機使電機實現(xiàn)驅(qū)動，適應(yīng)大電流驅(qū)動的要求。L298N芯片引腳圖如圖3.4所示(蔡亦涵,周子杰,2023)。圖3.4L298N芯片引腳圖3.1.5循跡模塊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，小車在運動過程中，它會向地面持續(xù)發(fā)出紅外線，這在某種程度上標明它碰到地面會產(chǎn)生一種反射，產(chǎn)生的反射光會被小車上的傳感器所吸收；而紅外光觸碰到黑線，不會發(fā)生任何反應(yīng)(方子和,吳書瑤,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動路線，實現(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。這在某種程度上反映出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(徐曉婷,林子瑜,2023)。圖3.5TCRT5000傳感器該傳感器一共有四個引腳，分別是VCC、GND、DO、AO。引腳VCC與電源正極相連接；引腳GND與電源負極相連接；引腳DO用于輸出開關(guān)信號；引腳AO用于輸出模擬信號，此引腳一般可以不接。本文同樣對結(jié)論進行了復(fù)審，首先從理論角度確保研究結(jié)果與現(xiàn)有學(xué)術(shù)體系相契合。本文仔細對比了本研究的主要發(fā)現(xiàn)與領(lǐng)域內(nèi)廣泛認可的理論，以檢驗其合理性和邏輯嚴謹性。這一過程不僅驗證了研究結(jié)論得到現(xiàn)有理論的支持，還在某些方面提出了新的見解或補充，從而豐富和完善了相關(guān)理論架構(gòu)。其次，在實證分析中，本文重新審視原始數(shù)據(jù)，采用多種統(tǒng)計方法和技術(shù)進行交叉驗證，并引入外部數(shù)據(jù)集作為參考樣本，力求消除任何可能影響結(jié)論準確性的偏差，確保研究結(jié)果的真實性和廣泛適用性。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，而且擁有很強的方向性(劉瑾瑜,張雪麗,2023)。這在一定意義上揭示了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間，然后再用超聲波傳輸速度乘以傳輸超聲波所需的時間，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，可以實現(xiàn)功能：在超聲波檢測到前方有障礙物時，小車停止運動；在前方?jīng)]有障礙物時，小車會根據(jù)紅外循跡模塊探測到的運動軌跡行駛(周志遠,王雨珊,2023)。本系統(tǒng)使用了HC-SR04超聲波測距傳感器，由兩個傳感器組成。其中一臺是將電子信號轉(zhuǎn)換為40KHz超聲波脈沖的發(fā)射機，這在某種程度上彰顯了另一臺是接收機，負責監(jiān)測所發(fā)射的脈沖。若接收到這些信號，就會生成一個輸出脈沖，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，測量精度可達到3mm。HC-SR04超聲波測距傳感器如圖3.6所示(李書豪,王子明,2023)。圖3.6HC-SR04超聲波距離傳感器該模塊共有四個引腳，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；引腳Echo用于輸出回響信號；引腳Gnd是接地端。3.2UWB定位系統(tǒng)設(shè)計3.2.1總體框架UWB定位系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是通信基站、電子標簽和上位機。本系統(tǒng)利用DW1000芯片通過撥碼開關(guān)實現(xiàn)了基站與標簽的確立REF_Ref12487\r\h[16]。在其中能看出設(shè)計框圖如圖3.7所示。

圖3.7UWB定位系統(tǒng)設(shè)計框圖在定位系統(tǒng)中，3個基站需要提前固定好位置，并通過網(wǎng)線與交換機連接，最后連接到上位PC機(張?zhí)煊?陳雅玲,2023)。當標簽分別向3個基站發(fā)送信號時，這明顯體現(xiàn)出特征通過測距和定位算法算出標簽到基站的距離，之后將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位PC機，并在上位機上顯示小車的運動軌跡。3.2.2DW1000芯片DW1000是一款低功耗射頻收發(fā)器，采用I(張成棟、劉志遠、黃睿智,2023)802.15.4-2011無線通信標準，數(shù)據(jù)包的最大長度為1023字節(jié)，從這些數(shù)據(jù)中顯現(xiàn)能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)交換的需求。在雙向測距中采用的也是DW1000芯片，定位精度可達到10cm，所以在室內(nèi)定位時也得到了廣泛的應(yīng)用(劉志鵬,楊晨曦,2023)。DW1000芯片還具有易于集成，可準確定位目標標簽，價格低廉，功耗低等優(yōu)點，主要應(yīng)用于雙向測距定位系統(tǒng)。DW1000芯片引腳圖如圖3.8所示。圖3.8DW1000芯片引腳圖DW1000芯片支持四種SPI通信模式。一共有49個引腳，用戶可以直接對8個GPIO引腳進行獨立的配置。引腳39，40，41和24都是SPI通訊接口。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議允許對一個字節(jié)或多個字節(jié)進行讀寫訪問，從這些互動中理解全部字節(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(趙梓晨,吳麗娟,2023)；引腳RSTn為復(fù)位引腳，作用是實現(xiàn)DW1000芯片的重置，這在某種程度上凸顯了該引腳持續(xù)輸入低電平時DW1000就會被重置；引腳GND是接地端。這部分內(nèi)容的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在視角的選擇上，首先表現(xiàn)在對研究問題的獨特切入點。本研究超越了傳統(tǒng)研究中較為狹隘的角度，從宏觀和微觀兩個層面同時入手，既關(guān)注總體趨勢也重視個體特性，為理解復(fù)雜現(xiàn)象提供了新的思考路徑。這種雙重角度不僅增強了對研究對象內(nèi)部機制的理解，也為解決實際問題提出了更加具體的建議。3.2.3上位機系統(tǒng)設(shè)計本文的上位機使用PC機，用于顯示小車的運動軌跡以及搭載標簽的智能小車到各基站的距離(陳思源,黃文婷,2023)。這在某種程度上標明下位機收到來自上位機的動作命令后，先對該命令進行分析，然后再將該命令傳送給電機驅(qū)動器，從而使智能小車根據(jù)上位機的命令做出相應(yīng)的動作。3.2.4串口模塊上位機和下位機的端口電平不同，上位機和下位機之間不能直接連接，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；這在某種程度上反映出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)(何子璇,龔海濤,2023)。通常用來實現(xiàn)這個功能的線路叫做串行接口，目前通用的標準是RS-232（ANSI-EIA-232）。本文的串口模塊采用的是MAX232芯片，這在某種程度上彰顯了這款芯片是一種電平變換芯片REF_Ref12781\r\h[17]。使用+5v的單電源提供工作電壓，符合RS-232標準。MAX232芯片引腳圖如圖3.9所示。圖3.9MAX232芯片引腳圖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(鄧曉宇,馮雪兒,2023)。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。在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，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送入計算機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。

系統(tǒng)測試結(jié)果及分析4.1測試環(huán)境搭建在房間內(nèi)布置三個通信基站A1、A2、A3，在其中能看出再把三個基站與交換機連接，最終與上位機PC相連。其中三個基站要保持高度一致，位置固定，在實驗過程中，搭載標簽的小車可以隨意移動。測試環(huán)境如圖4.1所示(朱文杰,崔怡君,2023)。圖4.1測試環(huán)境4.2測試方案設(shè)計根據(jù)3.2節(jié)所設(shè)計的UWB定位系統(tǒng)可知，標簽和基站是通過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，這明顯體現(xiàn)出特征通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)，可以實現(xiàn)對節(jié)點的類別、數(shù)量進行設(shè)置。因為本系統(tǒng)使用三個基站和一個標簽節(jié)點完成定位，因此將三個節(jié)點設(shè)置為基站，一個節(jié)點設(shè)置為標簽節(jié)點(徐天浩,林文和,2023)。圖4.2撥碼開關(guān)功能圖實驗步驟如下：1.如圖所示布置三個基站，三個基站坐標分別為(0，20)，(0，0)，(20,0)。2.打開上位PC機，根據(jù)已知條件來設(shè)置各個基站的坐標。3.建立上位PC機和搭載標簽的小車之間的通信，先依次算出標簽到基站的距離，之后開始進行定位，重復(fù)五次實驗并記錄實驗結(jié)果(孫宇航,李晴雯,2023)。這一發(fā)現(xiàn)與本文最初的預(yù)期相吻合，表明了研究方向的準確性。首先，這種一致性證明了本文在研究規(guī)劃階段設(shè)定的目標和假設(shè)是基于堅實的基礎(chǔ)。通過詳盡地審視相關(guān)理論文獻并綜合分析現(xiàn)有研究成果，本文的預(yù)設(shè)建立在合理且有據(jù)可查的基礎(chǔ)上，最終結(jié)果與預(yù)期一致，進一步驗證了研究的有效性。該結(jié)果的一致性也證實了本文所選用的研究方法和工具是恰當且有效的。在研究過程中，本文嚴格遵守學(xué)術(shù)標準，運用多種驗證方法確保結(jié)論的可靠性。4.設(shè)置目標軌跡，觀察小車的行進軌跡。5.在有障礙物的平面上，觀察小車的運動情況。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1循跡功能對比目標軌跡與小車的行進軌跡可得出所設(shè)計的小車能夠?qū)崿F(xiàn)循跡功能，但由于存在系統(tǒng)誤差，小車的運動軌跡會略有波動。4.3.2避障功能小車遇到障礙物后，從這些數(shù)據(jù)中顯現(xiàn)可以根據(jù)紅外探頭的反饋來判斷往哪個方向前進，從而實現(xiàn)小車的自主避障功能(馬子凡,周韻婷,2023)。4.3.3定位功能利用PC機實現(xiàn)小車的運動軌跡和小車的位置坐標的實時顯示，如圖4.3所示，定位結(jié)果如表4.1所示。表4.1UWB定位系統(tǒng)測試結(jié)果位置編號實際坐標/cm平均測量坐標/cm距離誤差/cm12345通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，標簽和基站之間實際距離與測量距離的誤差在10cm以內(nèi)。

第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)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)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。對UWB無線定位技術(shù)從三個方面做了充分的介紹，分別是UWB定義，UWB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，從這些互動中理解定位精度更高、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。對本文所需的智能小車進行系統(tǒng)設(shè)計。之后介紹了UWB定位系統(tǒng)的組成，包括電子標簽、基站和上位機三部分，標簽和基站都是通過撥碼開關(guān)對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，但由于實驗環(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)境對基站的測距有一定的影響，例如標簽與基站的本機時鐘不同源，會造成同步誤差、經(jīng)緯度誤差等，所以在進行定位系統(tǒng)部署之前，必須先對UWB無線收發(fā)器進行標定。（2）超寬帶定位系統(tǒng)中由于受噪聲干擾會產(chǎn)生波動偏差，所以必須進一步優(yōu)化超寬帶定位算法。（3）采用三邊定位算法確定標簽位置時，存在一定的誤差，三個以標簽到基站的距離為半徑的圓未必交于一點，而是一個小區(qū)域，不能唯一確定標簽的坐標，所以需要進一步優(yōu)化算法，減小誤差。

參考文獻林哲宏、趙文輝、宋承志.基于超寬帶的智能小車定位與路徑規(guī)劃技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2022.高宇彬