一种可折叠式自动跟随电动车的制作方法

本发明属于UWB(Ultra-Wideband，超宽带)定位领域和机械设计领域，具体地说是设计一种基于UWB定位跟随技术的可折叠电动车。

背景技术：

随着科学技术的发展，电动车已成为人们的日常生活用品。电动车的类型也越来越丰富，方便快捷是电动车最典型的特点。随着电动车更多方便快捷的功能的出现，一种可折叠式自动跟随电动车，在各领域作为日常需求的工具已成为可能。目前，可折叠式自动跟随电动车的技术难点包括电动车与目标之间在移动时的相对位置的确定；电动车在折叠之后保留原有行驶功能和一定的承载运输能力。

近年来无线通信技术的快速发展，极大地影响了人们的日常生活，无线定位技术的使用也越来越广泛。现有的定位技术包括：GPS、超声波定位、蓝牙技术、Wi-Fi网络、射频技术等。但是这些传统的定位方式都具有一定的局限性，如GPS信号在经过建筑物遮挡后衰退严重，误差较大，不适合小范围高精度定位；另外超声波定位技术虽然定位精度较高，可用于小范围精确定位，但是超声波受多路径效应影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。UWB通信技术具有通信速率高、抗干扰能力强、多径分辨率高、穿透力强等诸多优势，使得基于UWB的定位技术相对于传统定位方法有很大的优越性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可折叠式自动跟随电动车。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可折叠式自动跟随电动车，包括：

折叠电动车；

设置于所述折叠电动车上的至少两个UWB定位基站；

用于设置在特定目标上的UWB定位标签；以及

设置于所述折叠电动车上的控制器，该控制器与所述UWB定位基站连接；

所述UWB定位基站通过UWB信号与所述UWB定位标签实现通信，控制器根据UWB定位基站的接收信号控制所述折叠电动车实现对所述特定目标的自动跟随。

进一步地，所述折叠电动车包括车轮和主架，所述主架上设置有可折叠部。

进一步地，所述可折叠部在折叠状态下在所述主架上形成一平面。

进一步地，所述UWB定位标签包括别针式标签或手环式标签。

进一步地，所述UWB定位基站设置有四个，四个UWB定位基站成菱形分布。

进一步地，所述自动跟随包括距离跟随和转向跟随。

进一步地，所述自动跟随的具体过程包括以下步骤：

1)各UWB定位基站定时发出UWB信号，UWB定位标签接收并响应UWB信号，且UWB定位标签与UWB定位基站时间同步；

2)UWB定位基站接收UWB定位标签的响应，控制器根据UWB定位基站的接收信号获得各UWB定位基站与UWB定位标签的距离，根据该距离获得UWB定位标签的位置坐标；

3)控制器计算步骤2)获得的UWB定位标签的位置坐标及下一时刻设定目标的位置偏差；

4)控制器根据所述位置偏差控制折叠电动车的移动。

进一步地，所述位置偏差包括距离偏差和角度偏差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于UWB定位技术实现电动车与目标之间在移动时的相对位置的确定，定位更加准确，从而提高跟随精度。

2、本发明设置有多个UWB定位基站，可以有效提高获得特定目标位置的精度，从而进一步提高电动车的跟随精度。

3、本发明的折叠电动车仅在主架上设置可折叠部，在电动车折叠后，仍然保留正常情况下的行驶功能，方便了自动跟随特定目标功能的实现。

4、本发明的折叠电动车的可折叠部在折叠状态下可形成一平面，在自动跟随特定目标的同时，电动车还具有一定的承载运输能力。

附图说明

图1是本发明的基于UWB定位系统的自动跟随电动车跟随示意图；

图2是本发明的电动车保留行驶与运输功能的行车示意图，其中，(2a)为电动车普通行驶功能示意图，(2b)为电动车可折叠部示意图，(2c)为电动车折叠后的俯视图，(2d)为电动车折叠后的侧视图；

图3是本发明的电动车折叠后承载运输能力的示意图；

图4是本发明的电动车自动跟随的几何原理图；

图5是本发明的电动车实现自动跟随功能的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种可折叠式自动跟随电动车，包括：折叠电动车1；设置于折叠电动车1上的至少两个UWB定位基站2；用于设置在特定目标上的UWB定位标签3，特定目标为移动的人或物；以及设置于折叠电动车1上的控制器，该控制器与UWB定位基站2连接；UWB定位基站2通过UWB信号与UWB定位标签3实现通信，控制器根据UWB定位基站2的接收信号控制折叠电动车1实现对特定目标的自动跟随，包括距离跟随和转向跟随。

在某些实施例中，折叠电动车1包括车轮和主架，主架上设置有可折叠部。如图2所示，折叠的部分为电动车主架上部分的机构，在折叠之后，主架下部的车轮，则继续保持原来正常的位置状态，这样电动车就保留了原有的行驶功能。

在某些实施例中，可折叠部在折叠状态下在主架上形成一平面。如图3所示，在折叠之后，主架上部形成一个平面，这个平面可以运输一定重量的货物，然后轮毂电机驱动电动车向前行驶，即电动车折叠之后保留了一定的承载运输能力，即在自动跟随特定目标的同时，电动车在折叠之后还具有一定运输货物的能力。

在某些实施例中，UWB定位标签3可为别针式标签或手环式标签，可作为一种装饰品，别在车辆使用者的衣服上或佩戴在手腕上。

在某些实施例中，至少两个UWB定位基站2中，有一个UWB定位基站2作为主基站与控制器实现连接。

该电动车通过UWB定位技术，将多个基站安装在电动车上，而移动标签放置在电动车使用者的身上，实现电动车与使用者之间相对位置的测量与计算。当电动车被正常使用时，可视为一辆普通的驾驶者可操控的电动车。而当使用者不需要操控电动车时，可将它折叠成一种大小合适、稳定向好的机械结构，此时该车辆能自动跟随使用者，保留一定的运输载物能力。本发明利用高精度的UWB定位技术实现电动车辆的自动跟随，有效减轻使用者行走时的负担。

如图5所示，上述可折叠式自动跟随电动车的自动跟随的具体过程包括以下步骤：

1)各UWB定位基站处于移动状态，定时发出UWB信号，UWB定位标签接收并响应UWB信号，且UWB定位标签与UWB定位基站时间同步；

2)UWB定位基站接收UWB定位标签的响应，控制器根据UWB定位基站的接收信号获得各UWB定位基站与UWB定位标签的距离，根据该距离获得UWB定位标签的位置坐标；

3)控制器计算步骤2)获得的UWB定位标签的位置坐标及下一时刻设定目标的位置偏差，包括距离偏差(r偏差)和角度偏差(θ偏差)，r偏差是指期望距离与实际距离之间的偏差，θ偏差是指在极坐标下期望角度与实际角度之间的偏差；

4)控制器根据位置偏差控制折叠电动车的移动。

在某些实施例中，步骤2)利用电波到达时间值(TOA)算法获得基站与标签的距离与运动信息。

在某些实施例中，步骤3)利用状态估计与预测类融合算法(如卡尔曼滤波算法)获得电动车与特定目标之间的相对位置。

在某些实施例中，步骤4)的控制器通过相关的控制算法(如PID控制)根据位置偏差得出车速及舵机转角的控制量，对电动小车的行使方向(包括转向与前进后退)、行使速度进行控制。

在某些实施例中，在实现电动车定位跟随的功能上，本发明的电动车在结构设计上，具有自动转向的功能，具体的实施方式为：在电动车前轮位置安装舵机，控制舵机进行转向。

本实施例以四个UWB定位基站为例说明自动跟随的具体算法。如图1所示，四个UWB定位基站A、B、C、D成菱形分布，四个基站在折叠电动车上按投影平面为菱形的四个顶点。

本实施例中电动车进行自动跟随的过程包括：

步骤1：UWB基站定时发送UWB信号，UWB定位标签接收信号，且标签与基站时间同步，利用TOA算法，根据UWB信号在UWB基站和UWB定位标签之间的传播时间t，由d＝c*t，c为光速，得到四个基站分别与定位标签的距离AM、BM、CM、DM位d₁、d₂、d₃、d₄，根据已知的d₁、d₂、d₃、d₄可以确定一个交点，这个交点是分别以A、B、C、D为圆心，d₁、d₂、d₃、d₄为半径的四个球的交点，该交点就是定位标签所在的位置，如图4所示。定义四个UWB基站位置距离均为a，定义AC与BD分别为x轴和y轴，y轴正向与电动车前进方向一致，四个基站构成的菱形的对角线交点为原点O(0，0，0)，标签的坐标为M(x，y，z)。

步骤2：根据四个UWB基站到UWB定位标签的距离，四个基站的坐标已知为A(x₁，y₁，z₁)、B(x₂，y₂，z₂)、C(x₃，y₃，z₃)、D(x₄，y₄，z₄)，则根据两点之间的距离公式(i＝1、2、3、4)，可得到UWB基站分别与UWB定位标签的实际距离D₁、D₂、D₃、D₄，实际距离D₁、D₂、D₃、D₄与UWB定位所测得的距离d₁、d₂、d₃、d₄之间存在误差，所以残差：

Rsd_i＝D_i-d_i，(i＝1、2、3、4)

令残差平方和：

当S[X]最小时，经过上述步骤得到的M(x，y，z)即为特定目标所在位置信息，以及根据下一时刻M₂(x，y，z)，把直角坐标系转换成极坐标系，算出目标相对于电动车角度θ和距离r，可获得特定目标的运动信息。

本发明的UWB定位基站也可设置两个或三个，在定位精度上以设置四个以上较佳。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。