一种基于UWB技术的超市购物车UPP跟随方法

技术领域

本发明涉及了一种购物车UPP跟随方法，具体涉及一种基于UWB技术的超市购物车UPP跟随方法。

背景技术

由于大型超市和购物中心的激增，加上机器人技术的快速发展，促使超市里的购物车逐渐往智能化的方向发展，为超市用户们提供更多的便利，其功能主要体现在自动跟随以及路径规划等方面。

在室内各种遮挡物较多的环境下，信号传输会产生衍射现象，进而导致当前主流导航技术全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的信号传播受损，因此定位效果很差有时甚至难以正常运行，无法满足室内环境的定位要求。而超宽带定位技术的出现，使室内定位行业得到了快速发展。超宽带UWB(Ultra Wide Band，UWB)是一种可以在一定距离内，以低功率的模式高速发送数据的无线通信方式。该技术不需要使用正弦载波来承载信息，而是利用纳秒级的冲激窄脉冲来传送数据。其中超宽带UWB定位方式相较蓝牙定位、WIFI定位等室内定位方式具有更高的定位精度。此外，这种定位方式空间容量大，功耗和成本较低，多径分辨率高，具有抗干扰能力强，穿透力强，稳定性好，隐蔽性好等优点，能够准确的测量出目标的位置坐标。

移动机器人路径跟踪控制是机器人领域一个非常重要的部分,更是移动机器人完成更复杂任务的基础。如何使移动机器人在已知或未知环境下快速准确地进行准确地跟踪控制是一个富有挑战性的研究课题。其中，几何路径跟踪(Geometric Path Tracking)算法是自动驾驶中较为流行的路径跟踪控制方法之一。其主要利用车辆与参考路径之间的几何关系，得到路径跟踪问题的控制律。最典型的几何路径跟踪控制方法是纯跟踪方法(PurePursuit)和前轮反馈(Stanley)方法。其中纯跟踪算法的关键在于预瞄点的选取，在实际调试中只需根据应用需求调整预瞄系数即可，控制难度系数较低。但目前缺乏将移动机器人路径跟踪控制技术更加适应性地应用在室内购物车的自动跟随以及路径规划中的方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于UWB(超宽带定位技术，Ultra Wide Band，UWB)和纯跟踪算法PP(Pure Pursuit)的超市购物车UPP跟随方法。依据UWB定位系统的定位，分析出具体的位置关系，配合纯跟踪的PP跟踪算法，从而实现智能跟随。通过先用UWB设备对各基站和标签信号进行数据采集，再通过系统分析确定好购物车的线速度从而进一步确定出预瞄距离，最后计算可得到购物车的位姿关系，实现购物车的智能跟随。

本发明采用的技术方案是：

本发明的超市购物车UPP跟随方法包括如下步骤：

步骤一：在超市区域的周边放置三个DW1000基站，三个DW1000基站均无线连接DW1000标签Ⅰ和DW1000标签Ⅱ；将DW1000标签Ⅰ电连接安装有UWB定位系统的电脑上位机，同时DW1000标签Ⅰ无线连接三个DW1000基站；将三个DW1000基站的位置信息分别输入电脑上位机的UWB定位系统中，UWB定位系统以其中一个DW1000基站的位置为原点，建立直角坐标系。UWB定位系统将接收到来自三个DW1000基站的电磁信号，并通过系统中的双边双向测距方法解算出距离信息，从而根据对应位置关系建立空间直角坐标系，具体实施中使用x轴和y轴坐标构成的平面直角坐标系。

步骤二：将DW1000标签Ⅰ布置在自动跟踪购物车上，将DW1000标签Ⅱ佩戴在购物人员身上，购物人员和自动跟踪购物车均停留在预设初始点位，自动跟踪购物车和电脑上位机无线连接，DW1000标签Ⅰ将自动跟踪购物车的实时距离信息传输至电脑上位机中，进而实时计算获取自动跟踪购物车的位置坐标，电脑上位机的UWB定位系统将自动跟踪购物车的位置坐标实时显示在步骤一中的直角坐标系中；购物人员自预设初始点位进入超市区域并保持预设速度行走，UWB定位系统每隔预设时间段依次通过DW1000标签Ⅰ和三个DW1000基站接收DW1000标签Ⅱ传输的购物人员的实时距离信息，进而实时计算获取购物人员的购物位置坐标，并同时获得购物人员的实时购物轨迹曲线，可通过打开电脑上位机的轨迹路线开关，使一系列的实时位置坐标汇成一条平滑的实时位置轨迹曲线。

步骤三：当购物人员行走至第一个购物位置坐标点处时，UWB定位系统通过电脑上位机发送控制指令至自动跟踪购物车，控制自动跟踪购物车沿购物人员的实时购物轨迹曲线行驶；在自动跟踪购物车行驶过程中，根据自动跟踪购物车的当前位置坐标计算获取自动跟踪购物车的当前线速度并实时调整，通过自动跟踪购物车的当前线速度计算获得自动跟踪购物车的当前预瞄距离，进而计算获得自动跟踪购物车的转角，根据自动跟踪购物车的转角控制自动跟踪购物车旋转进行位姿变化，实现自动跟踪购物车对购物人员的准确跟随。

所述的步骤一中，三个DW1000基站之间的相对距离均大于1m，防止各基站间产生一定的电磁波干扰，三个DW1000基站离地面的距离超过2m，具体可设为2m，有利于减少信号干扰并提高基站的辐射范围。

所述的步骤一中，电脑上位机以其中一个DW1000基站的位置为原点，建立直角坐标系，具体为电脑上位机以第一个DW1000基站的位置为原点(0，0)，第二个DW1000基站的位置为(D，0)，第三个DW1000基站的位置为(I，J)，建立直角坐标系。

所述的步骤二中，DW1000标签Ⅰ将自动跟踪购物车的实时距离信息传输至电脑上位机中，进而实时计算获取自动跟踪购物车的位置坐标，具体为DW1000标签Ⅰ将自身分别与三个DW1000基站之间的实时距离传输至电脑上位机的UWB定位系统中，电脑上位机的UWB定位系统利用三边定位算法计算获取DW1000标签Ⅰ的位置坐标，即获取自动跟踪购物车的位置坐标；UWB定位系统每隔预设时间段依次通过DW1000标签Ⅰ和三个DW1000基站接收DW1000标签Ⅱ传输的购物人员的实时距离信息，进而实时计算获取购物人员的购物位置坐标，具体为DW1000标签Ⅱ将自身分别与三个DW1000基站之间的实时距离分别通过三个DW1000基站传输至DW1000标签Ⅰ，进而通过DW1000标签Ⅰ传输至电脑上位机的UWB定位系统中，电脑上位机的UWB定位系统利用三边定位算法计算获取DW1000标签Ⅱ的实时位置坐标，即获取购物人员的购物位置坐标。

所述的步骤二中，自动跟踪购物车上还安装有控制单元，控制单元无线连接电脑上位机，由控制单元接收电脑上位机传输来的控制信号对自动跟踪购物车进行控制。控制单元具体为树莓派4B。

所述的步骤三中，在自动跟踪购物车行驶过程中，根据自动跟踪购物车的当前位置坐标计算获取自动跟踪购物车的当前线速度并实时调整，具体为当自动跟踪购物车行走至任意一个购物位置坐标点处时，电脑上位机实时计算自动跟踪购物车的当前线速度V，当自动跟踪购物车的当前线速度V不超过预设速度值，并且自动跟踪购物车的当前位置和购物人员的当前位置之间的距离不超过预设距离值时，则不对自动跟踪购物车的进行调整；当自动跟踪购物车的当前线速度V超过预设速度值时，则控制自动跟踪购物车减速；当自动跟踪购物车的当前位置和购物人员的当前位置之间的距离超过预设距离值时，则控制自动跟踪购物车加速，直至自动跟踪购物车的当前线速度V不超过预设速度值且自动跟踪购物车的当前位置和购物人员的当前位置之间的距离不超过预设距离值，完成自动跟踪购物车的实时调整。

自动跟踪购物车的当前线速度的公式具体如下：

其中，V表示自动跟踪购物车的当前线速度；X和Y分别表示自动跟踪购物车的当前位置的横坐标和纵坐标；dt表示自动跟踪购物车自预设初始点位行驶至当前位置坐标的时间间隔。可以保证自动跟踪购物车和购物人员之间的距离在预设范围内。

所述的步骤三中，通过自动跟踪购物车的当前线速度计算获得自动跟踪购物车的当前预瞄距离，进而计算获得自动跟踪购物车的转角，具体为通过电脑上位机计算确定自动跟踪购物车的当前线速度V，通过自动跟踪购物车的当前线速度V计算获得自动跟踪购物车的当前预瞄距离L，同时获得购物人员的当前位置坐标(P，Q)，计算获得购物人员的当前位置坐标(P，Q)和预设初始点位(J，K)之间的夹角θ，进而计算获得自动跟踪购物车的转角α。

自动跟踪购物车的转角α公式，即纯跟踪PP算法计算控制量转角α，具体如下：

L＝A*V

θ＝arctan[(K-Q)/(J-P)]

其中，α表示自动跟踪购物车的转角；L

在得到自动跟踪购物车的转角后，通过UWB定位系统的通信模块将自动跟踪购物车的转角无线传输到自动跟踪购物车的无线信号接收发射模块上，从而控制自动跟踪购物车旋转进行位姿变化，实现自动跟踪购物车对购物人员的准确跟随。

本发明的有益效果是：

本发明通过UWB定位系统得到的移动路径给原PP算法的开环控制上增加了一系列的反馈控制，进一步提高了购物车预瞄距离的自适应程度，有效减少了车辆控制的不稳定、转向不足以及震荡的发生，具有优越的购物车跟随稳定性。

附图说明

图1为本发明UPP跟随方法逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

1、一种基于UWB技术的超市购物车UPP跟随方法，其特征在于：

包括如下步骤：

步骤一：在超市区域的周边放置三个DW1000基站，三个DW1000基站均无线连接DW1000标签Ⅰ和DW1000标签Ⅱ；将DW1000标签Ⅰ电连接安装有UWB定位系统的电脑上位机，同时DW1000标签Ⅰ无线连接三个DW1000基站；将三个DW1000基站的位置信息分别输入电脑上位机的UWB定位系统中，UWB定位系统以其中一个DW1000基站的位置为原点，建立直角坐标系。

具体实施中，UWB定位系统将接收到来自三个DW1000基站的电磁信号，并通过系统中的双边双向测距方法解算出距离信息，从而根据对应位置关系建立空间直角坐标系，具体实施中使用x轴和y轴坐标构成的平面直角坐标系。

步骤一中，三个DW1000基站之间的相对距离均大于1m，防止各基站间产生一定的电磁波干扰，三个DW1000基站离地面的距离超过2m，具体可设为2m，有利于减少信号干扰并提高基站的辐射范围。

步骤一中，电脑上位机以其中一个DW1000基站的位置为原点，建立直角坐标系，具体为电脑上位机以第一个DW1000基站的位置为原点(0，0)，第二个DW1000基站的位置为(D，0)，第三个DW1000基站的位置为(I，J)，建立直角坐标系。

步骤二：将DW1000标签Ⅰ布置在自动跟踪购物车上，将DW1000标签Ⅱ佩戴在购物人员身上，购物人员和自动跟踪购物车均停留在预设初始点位，自动跟踪购物车和电脑上位机无线连接，DW1000标签Ⅰ将自动跟踪购物车的实时距离信息传输至电脑上位机中，进而实时计算获取自动跟踪购物车的位置坐标，电脑上位机的UWB定位系统将自动跟踪购物车的位置坐标实时显示在步骤一中的直角坐标系中；购物人员自预设初始点位进入超市区域并保持预设速度行走，UWB定位系统每隔预设时间段依次通过DW1000标签Ⅰ和三个DW1000基站接收DW1000标签Ⅱ传输的购物人员的实时距离信息，进而实时计算获取购物人员的购物位置坐标，并同时获得购物人员的实时购物轨迹曲线，可通过打开电脑上位机的轨迹路线开关，使一系列的实时位置坐标汇成一条平滑的实时位置轨迹曲线。

步骤二中，DW1000标签Ⅰ将自动跟踪购物车的实时距离信息传输至电脑上位机中，进而实时计算获取自动跟踪购物车的位置坐标，具体为DW1000标签Ⅰ将自身分别与三个DW1000基站之间的实时距离传输至电脑上位机的UWB定位系统中，电脑上位机的UWB定位系统利用三边定位算法计算获取DW1000标签Ⅰ的位置坐标，即获取自动跟踪购物车的位置坐标；UWB定位系统每隔预设时间段依次通过DW1000标签Ⅰ和三个DW1000基站接收DW1000标签Ⅱ传输的购物人员的实时距离信息，进而实时计算获取购物人员的购物位置坐标，具体为DW1000标签Ⅱ将自身分别与三个DW1000基站之间的实时距离分别通过三个DW1000基站传输至DW1000标签Ⅰ，进而通过DW1000标签Ⅰ传输至电脑上位机的UWB定位系统中，电脑上位机的UWB定位系统利用三边定位算法计算获取DW1000标签Ⅱ的实时位置坐标，即获取购物人员的购物位置坐标。

步骤二中，自动跟踪购物车上还安装有控制单元，控制单元无线连接电脑上位机，由控制单元接收电脑上位机传输来的控制信号对自动跟踪购物车进行控制。控制单元具体为树莓派4B。

步骤三：当购物人员行走至第一个购物位置坐标点处时，UWB定位系统通过电脑上位机发送控制指令至自动跟踪购物车，控制自动跟踪购物车沿购物人员的实时购物轨迹曲线行驶；在自动跟踪购物车行驶过程中，根据自动跟踪购物车的当前位置坐标计算获取自动跟踪购物车的当前线速度并实时调整，通过自动跟踪购物车的当前线速度计算获得自动跟踪购物车的当前预瞄距离，进而计算获得自动跟踪购物车的转角，根据自动跟踪购物车的转角控制自动跟踪购物车旋转进行位姿变化，实现自动跟踪购物车对购物人员的准确跟随。

步骤三中，在自动跟踪购物车行驶过程中，根据自动跟踪购物车的当前位置坐标计算获取自动跟踪购物车的当前线速度并实时调整，具体为当自动跟踪购物车行走至任意一个购物位置坐标点处时，电脑上位机实时计算自动跟踪购物车的当前线速度V，当自动跟踪购物车的当前线速度V不超过预设速度值，并且自动跟踪购物车的当前位置和购物人员的当前位置之间的距离不超过预设距离值时，则不对自动跟踪购物车的进行调整；当自动跟踪购物车的当前线速度V超过预设速度值时，则控制自动跟踪购物车减速；当自动跟踪购物车的当前位置和购物人员的当前位置之间的距离超过预设距离值时，则控制自动跟踪购物车加速，直至自动跟踪购物车的当前线速度V不超过预设速度值且自动跟踪购物车的当前位置和购物人员的当前位置之间的距离不超过预设距离值，完成自动跟踪购物车的实时调整。

自动跟踪购物车的当前线速度的公式具体如下：

其中，V表示自动跟踪购物车的当前线速度；X和Y分别表示自动跟踪购物车的当前位置的横坐标和纵坐标；dt表示自动跟踪购物车自预设初始点位行驶至当前位置坐标的时间间隔。可以保证自动跟踪购物车和购物人员之间的距离在预设范围内。

步骤三中，通过自动跟踪购物车的当前线速度计算获得自动跟踪购物车的当前预瞄距离，进而计算获得自动跟踪购物车的转角，具体为通过电脑上位机计算确定自动跟踪购物车的当前线速度V，通过自动跟踪购物车的当前线速度V计算获得自动跟踪购物车的当前预瞄距离L，同时获得购物人员的当前位置坐标(P，Q)，计算获得购物人员的当前位置坐标(P，Q)和预设初始点位(J，K)之间的夹角θ，进而计算获得自动跟踪购物车的转角α。

自动跟踪购物车的转角α公式，即纯跟踪PP算法计算控制量转角α，具体如下：

L＝A*V

θ＝arctan[(K-Q)/(J-P)]

其中，α表示自动跟踪购物车的转角；L

在得到自动跟踪购物车的转角后，通过UWB定位系统的通信模块将自动跟踪购物车的转角无线传输到自动跟踪购物车的无线信号接收发射模块上，从而控制自动跟踪购物车旋转进行位姿变化，实现自动跟踪购物车对购物人员的准确跟随。

本发明公开的UWB测距技术结合Pure Pursuit算法的UPP购物车跟随方法，在购物车跟随标签的移动过程中，采用UWB定位系统测量出标签具体位姿信息，并将数据处理成适用于UPP跟随方法的坐标点，再通过系统分析确定出适合的购物车线速度，从而判断出购物车预瞄距离，为后续的购物车点对点跟踪做好准备，最后通过纯跟踪PP算法调整好购物车的位姿关系。本发明的预瞄距离自适应程度较高，有效减少了车辆控制不稳定，转向不足以及震荡的发生，具有优越的购物车跟随稳定性。