引言

随着电子商务的飞速生长，现代企业对自动化仓储治理的需求日益增加
。仓储治理系统能够快速运作的要害在于高效地运送且准确搬运货仓中的物品
。将可以进行多目标点导航的仓储物流移动机械人引入仓储空间中，不但可以取代人工搬运货物，有效地减少工人的劳动强度，还能提高事情效率[1]，因此室内定位与导航是仓储物流移动机械人研究的重点偏向
。

如今仓储物流移动机械人常用的导航要领大致分为磁条导航、电磁导航、光学导航、激光导航、视觉导航、惯性导航和轮廓导航
。这些导航要领都有各自的优缺点，好比：磁条导航易施工、本钱低，但容易受滋扰、易损坏；电磁导航抗滋扰性强，原理简单可靠，但施工时间长、用度高；激光导航精度高、行驶路径灵活多变、适用庞亨衢况，但对情况要求比较苛刻、不适合室外情况[7,8]
。

综合以上差别定位要领和导航要领的优劣，本文研究并设计了基于UWB定位的仓储物流移动机械人系统，基于该系统研究仓储物流机械人的实时定位、多目标点导航功效[9]
。该计划具有安排简单、本钱低、精度高、抗滋扰性强、定位规模广，适用于室内外庞大情况等优点[10,11]
。

1 系统总体设计

本系统主要由定位基站、定位标签、目标点生成器和移动机械人4部分组成
。定位基站用于几何边沿区域信号笼罩；定位标签用于与定位基站进行测距，从而对移动机械人进行精确定位；目标点生成器与定位标签结合，凭据标签定位信息存储的多个目标点实时对移动机械人进行路径计划
。将定位标签安排于移动机械人之上，移动机械人运行目标点导航子系统对多个目标点依次导航
。系统结构框架如图1所示
。

图1 系统结构框架图  

1.1 定位基站与定位标签

定位基站与定位标签均接纳UWB mini3plus射频模块
。该模块以STM32F103T8U6单片机为主控芯片
。外围电路包括DW1000芯片、电源模块、LED指示模块、复位电路等
。该模块不但可以作为基站，还可以作为标签，通过USB连接电脑，接收电脑发送的AT+SW指令进行切换
。

1.2 目标点生成器设计

目标点生成器由UWB基站An、UWB标签Tn+1、STM32F103C8T6单片机、ESP8266WiFi模块4部分组成（拜见图1）
。

目标点生成器以STM32F103C8T6为焦点，接纳射频模块UWB mini3plus标签Tn+1和基站An进行实时测距，通过UART串行通信收罗标签与基站的距离信息并解算标签坐标，使用ESP8266 WiFi模块对移动机械人进行坐标信息传输
。ESP8266接纳串口与单片机通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换[12]
。在路径计划时，事情在STA+AP模式的ESP8266使用TCP/IP透传传输数据方法与移动机械人进行坐标信息传输，满足局域网无线控制的需求
。目标点生成器设置好目标点之后存入EEPROM，供下一次使用，期待移动机械人连接，在连接乐成之后发送坐标给移动机械人
。目标点生成器的事情流程如图2所示
。

1.3 移动机械人

图2 目标点生成器事情流程图   

移动机械人的硬件由UWB基站An、UWB标签Tn、STM32F103C8T6单片机、运动控制部分、ESP8266 WiFi模块5部分组成
。

UWB标签Tn用作与UWB基站An测距定位
。STM32F103C8T6是移动机械人的焦点
。移动机械人通过ESP8266接收目标点生成器设置好的目标路径点
。移动机械人与定位标签结合，利用STM32F103C8T6解算的坐标信息和目标点生成器设置好的目标路径点进行目标点导航
。运动控制部分主要通过光电编码器M/T法测速[13]，从而控制两驱动电机的速度，实现机械人的直线行驶和原地转弯功效[9]
。

2 目标点导航原理

移动机械人目标点导航子系统的坐标信息来源于单片机三维定位算法[14]解算标签与基站的测距信息
。

2.1 三维定位算法

单片机使用三边丈量法[15]进行坐标解算，设基站A1、A2、A3、A4圆心坐标为：

设A1、A2、A3、A4四个球体相交于点（x,y,z），如图3所示
。凭据毕达哥拉斯定理，得出交点位置盘算公式：

式中，r1、r2、r3、r4划分体现标签到基站A1、A2、A3、A4的距离
。

设��体现任意向量，h、i、j均为中间变量
。界说基向量体现一个新坐标系的坐标轴
。

图3 三维定位算法示意图   

用式（9）、式（10）体现为

式中：

如果h=0，前两个球面是同心的，则方程无解；如果j=0，则三个球在同一直线上
。

使用三个变量h、i、j和在原点处三个方程的方程组可写成：

用方程（8）减去方程（9）可解出：

用方程（18）减去方程（20）可解出：

利用方程（8）可解出：

如果方程有多个解，则取与A4球面距离最近的那个解为最优解
。

2.2 目标点导航子系统设计

设定四基站的位置为A1(x1,y1,z1）、A2(x2,y2,z2）、A3(x3,y3,z3）、A4(x4,y4,z4），如图4所示
。目标点生成器依次纪录标签位置坐标，并将其存储到EEPROM，期待移动机械人连接
。移动机械人使用ESP8266连接目标点生成器WiFi热点
。移动机械人目标点导航子系统事情流程如图5所示
。

图4 目标点导航子系统原理图   

图5 目标点导航子系统事情流程图   

在目标点生成器与移动机械人通过ESP8266连接乐成之后，目标点生成器发送EEPROM存储的坐标信息给移动机械人
。移动机械人接收信息并解码，凭据目今所在位置进行目标点导航
。假设目标点的位置坐标为Enm X(nm,Ynm），其中n为目标点生成器设置的目标点坐标，m为目标点En和E(n+1）之间细分的目标点
。设D为目标点细分的距离（单位为cm),v为移动机械人的运动速度，Δt为坐标更新间隔时间
。其盘算公式为：

移动机械人直线移动依次纪录N(N≥2）个坐标信息，该坐标信息用来确认目今移动机械人行驶偏向
。设移动机械人直线移动纪录的第一个坐标为起点坐标A X(a,Ya），最后纪录的坐标设置为终点坐标B（Xb,Yb），则目今移动机械人的偏向为向量
。移动机械人目今坐标B与目标点Enm的偏向为向量��，由此可以得出：

若目今移动机械人实际坐标与第一个目标点Enm之间的距离大于D，则凭据每隔距离D取新的目标点
。坐标B与目标点Enm的距离为：

设向量与向量之间的夹角为Δθ，机械人与路径的距离偏差为ΔX
。由此可以得出：

若，则移动机械人需要向左调解角度Δθ；若��，则移动机械人需要向右调解角度Δθ；若��，则进行下一步判断：

式中，r为目标点圆心Enm的半径
。

当满足式（32）时，移动机械人沿着目今的偏向继续直线前行；当满足式（33）时，移动机械人向右转180°；当式（32）和式（33）均不满足、但式（34）满足时，体现移动机械人已经抵达该目标点，此时移动机械人判断该目标点是否是所有目标点的终点，若是则停止，不然即进行下一目标点的导航（移动机械人判断是否抵达生成器目标点Enm，若是则n+1、m=0，不然m+1）
。

3 实验数据剖析

本实验园地设定在室外20m×30m宽敞区域
。设置4个基站坐标划分为（0,0,1.65）、（30,0,1.65）、（0,20,1.65）、（30,20,1.36），以m为单位
。使用目标点生成器设置5个目标点，移动机械人使用目标点导航子系统对多个目标点进行导航
。实验历程纪录移动机械人运行轨迹如图6所示
。该运行轨迹数据剖析如图7与图8所示
。实验结果标明，移动机械人乐成地依次对目标点生成器设置的多目标点进行导航
。由表1可知，标签静态定位精度在20cm以内
。由图7可知，移动机械人在进行导航的历程中，距离偏差ΔX在15cm以内
。由图8可知，直线行走航向角偏离Δθ不凌驾20°
。

表1 标签静态定位精度  

图6 机械人运行轨迹 

图7 距离偏差折线图   

图8 航向角偏离折线图   

结语

本文提出了一种仓储物流移动机械人多目标点导航设计思想和具体使用要领
。实验测试数据结果标明，该系统能够为移动机械人实现较好的导航效果
。目前室内外高精度定位导航已经成为未来机械人应用领域中不可或缺的技术
。差别的定位导航要领各有优缺点，结合差别的定位导航将可以实现更好的导航效果
。