任彭利、高峰、甘志强、贾晓伟、郭琦 指导老师：刘晓
太原工业学院030008
摘要：基于当下发展比较好的共享单车和跟随行李箱，针对商场、酒店、机场、车站等公共场所，设计一款可以让大众都可以使用的负重跟随服务机器人。其分两个功能板块，一是：采用UWB定位和底盘的跟随设计，让其不仅具有高精度的跟随趋势，还可以灵活的向目标移动。二是：云服务及小程序搭建的共享设计，通过扫码的方式实现共享服务机器人的使用，并且在服务器上可以实时反馈机器人工作和位置状态数据。基于UWB跟随的跟随是由UWB的标签决定的，通过扫码打开电控锁后，取出标签，然后服务机器人启动，实现代人负重跟随的目的。样机测试结果表明：系统能实现扫码取到标签，并且服务机器人一键启动语音提示使用者使用规范并且跟随运动。
0引言
随着科学技术的迅速发展，很多的服务类的服务行业以共享的方式服务于大众，如共享汽车、共享充电宝、共享洗衣机、共享雨伞等等。这是智能科技生活不断引领我们的生活向好发展，现在市面上已经有了跟随行李箱和跟随搬运机器人的产品，但是由于价格比较昂贵，让很多消费者都望而却步，致使这项便利不能让大众使用。我们团队看到了这一点，为了让更多人能使用到跟随负重服务，便设计一款可以共享使用的负重跟随机器人。
1服务机器人总体设计
1.1机械结构设计
共享式跟随服务机器人的机械主要包括可负重移动底盘、独立悬挂以及车身箱体等结构。可负重移动底盘由四个麦克纳姆轮及独立悬挂组成，四个麦克纳姆轮的放置方式是使其上的辊子成“X”型放置，可实现横平竖直、斜方向及原地旋转等运动状态。因为有独立悬挂的设计，负重机器人可以适应大多数的服务场所地形。该机器人的大小是380mm*420mm*500mm，负重为20~30kg。如图1.1所示
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1.2控制系统设计
服务机器人的控制系统可分为可穿戴部分和车体两个部分。整体还包含了2个控制系统，UWB定位系统，超声波避障系统，动力输出系统，共享使用系统，温湿度感知系统。服务机器人的核心控制图如图２所示：
服务机器人可以手动控制和跟随模式切换。在自动跟随模式下，机器人通过UWB定位得到和被跟随的位置信息，然后CPU对信息进行处理，从而控制运动方式。手动控制模式下，机器人通过穿戴部分上的按键控制服务机器人的运动方式。
机器人的两个主控单元均采用的是STM32ZET6芯片，其最高工作频率72MHz,满足机器人运动中的所有计算和逻辑控制。该机器人的编码器使用了定时器计数功能，捕获产生的电脉冲信号，通过PID控制算法，将数据返回给MCU，控制电机驱动模块，从而达到对机器人的精准控制。
为使机器人运动更加稳定，其外部安装超声波传感器，分别用于检测前，左，右三个方向，是来判断障碍物，若有障碍则产生中断，执行避障功能，使的机器人运动过程更加安全，可靠，稳定。
在穿戴设备上，还加入了温湿度传感器、光照强度传感器和语音模块，让使用者与更好的用户体验。
图1.2
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2 UWB定位系统设计
2.1 UWB定位技术及原理
UWB技术是源于20世纪兴起的脉冲通信技术。一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号，通信信号的实际占用带宽并不高。而UWB不同于传统的通信技术，UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns~1.5ns之间，有很空的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW。因此，UWB设备的电池寿命，相对于传统无线设备有着很大的优越性。由于UWB脉冲极窄、频带极宽，其带宽相当于1000个电视频道或3万个FM广播频道，因此单位频宽内的功率密度相当低。
2.2定位算法假设与实现
UWB定位技术中最常用的定位方法之一就是TDOA。UWB定位标签对外发送一次UWB信号，在标签无线覆盖范围内的所有基站都会收到无线信号，如果有两个已知坐标点的基站收到信号，标签距离两个基站的间隔不同，那么这两个基站收到信号的时间点是不一样的。如图2.1
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图2.1
在基站之间完全同步的情况下，得出定位标签相对于三组定位基站~的距离差为：
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采用Taylor级数展开的定位算法估算初始位置，并作Taylor级数展开，利用最小二乘法进行迭代计算，以此来实现跟随目标位置的精确定位。TDOA不需要UWB定位标签与定位基站之间进行往复通信，只需要定位标签发射一次UWB信号，工作时长缩短了，功耗也就大大降低了，故能做到更高的定位动态和定位容量。
UWB模块计算出，，的距离，在跟随机器人上三个基站呈等腰直角三角形放置，就可以根据已知的六条边以及三个角度计算出标签相对于行李箱在空间坐标系中的位置。同时行李箱车身上的超声波计算出障碍物离行李箱的距离。根据障碍物以及标签在空间中的相对位置，规划出最优的行走路径。同时本行李箱采用麦克纳姆轮可保证在车头不变的情况下完全实现全向移动，提高了行李箱的稳定性。当行李箱与人的距离逐级递减，行李箱的速度也将会逐级递减，极大的提高了安全性。
3共享设计
3.1电子密码锁设计
电子密码锁是实现共享使用的重要环节，服务机器人上使用了SIM800模块、WiFi模块和电控锁三大版块组成，其中还加了GPS辅助定位模块。在设计中不仅要让使用者用手机解锁电子密码锁，还要有服务器的界面上显示负重机器人的状态，于是采用两种方案来实现。方案一，采用WiFi模块实现数据传输，前提是需要有WiFi网络覆盖的使用环境。考虑到这种方案对环境的要求比较高，我们又设计了方案二，通过SIM800模块实现数据上传服务器平台，这种方案操作起来不仅耗时长还比较复杂。总体的设计是采用以上两种方案相结合的方式来更好的为使用者提供服务。
这里有两种假设：假设一，在WiFi网络信号较强的情况下，当使用者微信扫在车上的二维码后，便会进入微信小程序，CPU会检测是否有WiFi网络连接，WiFi网络充足，打开模式一，连接到云端，当使用者在微信小程序界面点击使用按键后，电控锁打开，取到可穿戴部分，在确定放好负重品后，便可由控制器一键启动，并伴随穿戴部分的语音指导开始跟随服务，同时CPU会通过GPS定位模块实时查询位置坐标并由WiFi模块传输到云端服务器。假设二，在WiFi信号不是很好或是在没有WiFi的情况下，由CPU检测到网络信息后，CPU通过SIM800与服务器建立TCP穿透连接，两者可相互传输信息，由使用者主导点击使用按键，电控锁打开，取到控制器，使用跟随服务。
3.2云服务器搭建及微信小程序的设计
在设计的时候，因为样机只设计了一台，采用阿里云ECS远程弹性服务器作为信息处理平台，利用oneNET开放平台通信实现单片机上行数据，在机器人连接到阿里云服务器IP上后，利用Jason进行实际数据提取和分析。这时CPU会在产生的每一个心跳包周期收发数据。在微信小程序的设计上，我们使用微信开发者工具使用MPVUE框架构建小程序界面，通过订阅IP进行连接到服务器上，同样使用Jason来收发数据，将微信小程序的功能版块与服务机器人的模式形态相结合，网络构建如图3.1所示。通过使用MQTT服务器进行订阅所需信息模拟测试，我们便实现了远程控制服务机器人的动作。
3.3安全及管理设计
考虑到服务机器人能够很好的服务大众和方便管理，在服务场所会设定两到三个服务站。在服务区中使用定位地桩来确定服务机器人是否在服务在服务站区域内，这样在方便我们管理和维护的同时，也可以让线下人员来指导操作帮助操作使用。以高铁站为例，在进站口、车站中间区域和出站口各设定一个服务站，每个服务站都有定位地桩的存在，使用者在出站口使用机器人后，服务机器人便可以把重物带到使用者进站口的位置，在这段路程当中除了进站口的服务区，只有中间站还车是收费比较低的。为了让使用者有更好的体验，会根据车站的大小，在车站内画出几个服务机器人停留区，在区域的四角打上定位地桩，在停留区域还车时收取费用会高一点，因为其它点还车需要收取线下工作人员来运回机器人的费用。服务器会将数据分时间段存储并计算，在使用者还负重服务机器人时费用便可以更快的计算出来，等待使用者支付。
4实验测试
通过以上设计，做出样机，如图4.1所示。
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图4.1
在实地应用测试前，对服务机器人进行遥控测试运动能力基础测试，如图4.2所示。有实验结果可知，服务机器人可以灵活的负重移动，运动平滑且负重效果良好。
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自动跟随实验过程中我们直接使用UWB标签进行导向跟随，在障碍物多、空间狭小的复杂场地下测试，如图4.3所示。服务机器人能够凭借灵活的移动方案经行跟随服务，满足预期效果。
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在使用微信小程序测试时，我们通过MQTT服务器进行测试，可以通过微信扫码打开电控锁，并有数据定时上传，满足预期目标。如图4.4所示。
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5结束语
本文设计的共享式跟随服务机器人，选用STM32作为控制核心，采用UWB模块、WiFi模块、SIM800模块、GPS模块使其具有了共享使用的功能。与目前市场上的跟随行李箱相比具有较低的成本，使用起来更加便利。其还具有控制简单，承受力大，机动性强等有点，拓展了共享服务类机器人的产品种类，能够更好的满足人们日常生活所需。
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