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AoA 自动跟随小车

AoA 自动跟随小车

 

目前市场上可见几种具备自动跟随功能的行李箱,多依靠视觉或者 UWB 技术实现。 本文介绍如何利用 BLE AoA 寻向技术开发一个具有自动跟随功能的小车。这个小车能够跟随信标前进、转向、停止。

项目源代码   注意: 本文及参考代码仅为概念演示,不考虑信标与小车的配对等问题。

 

整体框架

自动跟随小车主要包括以下部件、模块。

 

名称

功能

ING9188xx 4x4 URA 天线阵

CTE 采集,主控

树莓派 Raspberry Pi Zero

负责 AoA 计算

智能小车底盘

包含车架、电机、转向舵机

TB6612 电机驱动模块(带 3.3V 输出)

底盘电机驱动,为天线阵供电

可调 DC-DC 模块

为树莓派、舵机提供 5V 输出

128x64 OLED 模块(驱动芯片 SSD1306)

显示调试或者状态信息(可选)

锂电池

提供动力

若干杜邦线

 

 

小车的框图如下所示。其中主控为 4x4 URA 上的 ING9188xx,它将采集到的 CTE 数据提交到树莓派完成方位角解算,再据此调整小车的前进方向。 另外需要一块 ING9188xx 开发板用来发送 CTE 信标(烧录 Peripheral LEC & CTE 即可),引导小车前进。 OLED 模块可用来显示调试或者状态信息,它的驱动、使用方法参考 Central Throughput。 由于树莓派及底盘上的舵机都需要 5V 电源,且耗电较大,所以使用了 DC-DC 模块提供 5V 输出。

 

主要功能详解

 

1. 底盘控制

 

由于天线阵的 IO 口数据有限,小车只能前进,不能后退。有关 TB6612、电机的驱动、舵机控制等,请参考 蓝牙遥控车

Q:树莓派 IO 丰富、功能强大,为什么不用它做主控?

A:我们总是倾向于使用自己的产品。

 

2. CTE 采集

 

AoX 算法时间、空间复杂度都非常大,无法在 ING918 这样的低功耗 SoC 上运行。事实上,即便对于树莓派的低端型号 Raspberry Pi Zero 来说, 进行 4x4 全阵列计算仍然非常吃力。考虑到我们只需要方位角,可以只使用 1×4 ULA 子阵列,Pi Zero 完成一次计算大概需要 0.1s。

实现上,仿照 Central CTE,以扩展广播 + 桃芯扩展的方式采集 CTE,经过 Base64 编码后送入树莓派进行方位角解算。

 

3. 树莓派的控制

 

主控通过串口登录到树莓派并启动寻向算法程序 alg -array 1x4。 之后的任务是将 Base64 编码的 CTE 数据送入树莓派,然后解析 JSON 格式的解算结果。

实现时要考虑:

  1. 树莓派的启动时间长,登录 Shell 时要判断输出然后填写用户名、密码;
  2. 解析 JSON 结果时,算法程序可能报错(status != 'ok');
  3. 主控程序重新执行(调试、更新程序),树莓派已经处于登录状态(重启树莓派效率太低),需要做判断。

以上几种情况可能导致相关代码比较混乱。

 

4. 转向控制

 

小车的转向采用 PID 控制:

  • 误差:(当前方位角 - 目标值)
  • 被控量:舵机角度

我们把 KiKi 参数设置为 00,即只使用 PP、DD 两项进行控制。

 

5. 速度控制

 

基本原理是小车距离信标比较远时速度快一些,反之就慢一些。但是根据 RSSI 估计距离效果很差, 我们联合使用了一个 Kalman 滤波器和一个 IIR 滤波器尝试提高距离估计的准确度。

 

6. 停车控制

 

安全第一,为了 1) 防止小车撞到自己的脚,2) 实现“急停”功能,在速度控制之外使用迟滞比较器实现了一个单独的停车控制逻辑:一旦(原始)RSSI 值超过某个门限(RSSI_LOCK),就立即停车,并屏蔽其它速度控制逻辑;当(原始)RSSI 低于另一个门限时,解除停车,允许其它速度控制逻辑控制小车移动。

 

测试

 

参考 pin_def.h 及上面的整体框图搭建硬件。我们搭建的小车如图所示,附加了一个内置 ING9187xx 芯片的 Insta360 GO 2 用来拍摄 FPV 视频:

 

各模块使用的软件总结如下:

 

模块

软件

ING9188xx 4x4 URA 天线阵

本文所介绍的 app

树莓派 Raspberry Pi Zero

Raspberry Pi OS 及 alg

ING9188xx 开发板

Peripheral LEC & CTE

  

 

源代码里附带了 FOTA 功能,完成初次烧录后,通过 OTA 就能方便地升级。建议根据实际情况调整 REF_RSSI (即小车在距离信标 1m 远处所接收到的信号强度), 以改善速度控制、停车控制的效果。

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