引言
在科技飞速发展的今天，智能移动设备的应用越来越广泛，其中自动跟随小车凭借其便捷性和高效性，在众多领域展现出巨大的潜力。为了实现小车的精准跟随功能，超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术应运而生。UWB 技术以其独特的优势，为自动跟随小车的发展提供了强有力的支持。
一、UWB 技术概述
（一）UWB 技术原理
UWB 是一种无线通信技术，它通过发射纳秒级甚至皮秒级的窄脉冲来进行数据传输和测距。与传统的无线通信技术不同，UWB 信号的带宽极宽，通常超过 500MHz，甚至可达数 GHz。这种宽频带特性使得 UWB 在时间分辨率和距离测量精度上具有显著优势。
UWB 测距主要基于飞行时间（Time of Flight, TOF）原理。当一个 UWB 设备发送信号，另一个设备接收该信号时，通过测量信号从发送到接收所经历的时间，再结合信号在空气中的传播速度（约为光速），就可以精确计算出两个设备之间的距离。例如，一对 DWM1000 模块，发送者发送信号并记录时刻 t1，接收者收到信号后延时 t_reply 时间发送回复信号，发送者收到回复信号时记录时刻 t2，那么信号飞行时间 TOF=(t2 - t1 - t_reply)/2，根据公式 d = c × TOF（c 为光速）即可算出距离 d。
（二）UWB 技术特点
高精度定位：能够实现厘米级的定位精度，这是传统无线技术如蓝牙、Wi-Fi 等难以企及的。在自动跟随小车的应用中，高精度定位确保了小车能够实时、准确地感知目标位置，实现稳定可靠的跟随效果，无论是在复杂的室内环境还是室外开阔地带，都能满足各种场景下的需求。
抗干扰能力强：UWB 信号占用宽的频谱范围，且能量分散在短的脉冲内。这使得 UWB 雷达系统对多径干扰和窄带干扰具有较强的抵抗力。在实际应用中，自动跟随小车往往会面临各种复杂的电磁环境，UWB 的抗干扰特性有效避免了因环境干扰导致的定位误差，保证了系统的稳定性。
低功耗：UWB 雷达芯片采用先进的低功耗设计，在保证高精度定位的同时，能够延长设备的续航时间。对于自动跟随小车来说，长时间运行而无需频繁充电或更换电池，大大提升了用户体验，也降低了使用成本。
信号穿透性好：UWB 信号能够较好地穿透墙壁、障碍物等，不像一些其他无线信号容易受到遮挡而减弱或中断。这一特性使得在室内环境中，即使目标与小车之间存在一定的遮挡物，UWB 仍能保持有效的通信和定位，增强了系统的实用性。
二、UWB 跟随小车系统设计
（一）系统总体架构
UWB 跟随小车系统主要由三大部分组成：UWB 定位模块、小车运动控制模块以及电源管理模块。UWB 定位模块负责实时获取目标与小车之间的距离和相对位置信息；小车运动控制模块根据定位信息，通过电机驱动等方式控制小车的运动，实现跟随功能；电源管理模块则为整个系统提供稳定的电力供应，并对电池电量进行监测和管理，确保系统能够持续稳定运行。
（二）硬件设计
UWB 模块：选用性能优良的 UWB 模块，如 Decawave 公司的 DWM1000 模块。该模块集成了 UWB 射频前端、基带处理器等功能，能够方便地实现 UWB 信号的收发和处理。在小车上安装多个 UWB 模块作为基站，一般至少需要三个，按一定的几何布局（如等边三角形）固定在小车顶部，这样可以通过三角测量法更精确地确定目标的位置。同时，用户携带一个 UWB 模块作为标签，当标签进入基站的信号覆盖范围时，基站与标签之间进行信号交互，实现距离测量和位置定位。
微控制器：选择一款高性能、低功耗的微控制器作为小车的主控芯片，如 STM32 系列单片机。STM32 具有丰富的外设资源，强大的运算能力和较低的功耗，能够满足对 UWB 数据处理、电机控制以及其他功能模块的协调管理需求。它通过串口或 SPI 等通信接口与 UWB 模块进行数据通信，接收 UWB 模块测量得到的距离信息，并根据预设的算法计算出目标的位置坐标，进而生成相应的运动控制指令。
电机驱动模块：为了驱动小车的电机实现前进、后退、转弯等动作，需要使用专门的电机驱动模块。常见的电机驱动芯片如 L298N，它能够提供足够的电流来驱动直流电机。微控制器通过控制电机驱动模块的输入引脚电平，来控制电机的正反转和转速，从而实现对小车运动状态的精确控制。
电源模块：采用可充电的锂电池为小车供电，以提供稳定的电力来源。同时配备电源管理芯片，对电池进行充电管理、过充过放保护以及电压转换等功能。例如，通过 DC-DC 降压芯片将锂电池的电压转换为适合各个模块工作的电压，如为微控制器提供 3.3V 电压，为电机驱动模块提供合适的工作电压等。此外，电源模块还可以实时监测电池电量，并将电量信息反馈给微控制器，以便在电量较低时及时提醒用户充电或采取相应的节能措施。
其他辅助模块：
避障传感器：为了避免小车在跟随过程中碰撞到障碍物，安装漫反射光电传感器或超声波传感器等避障传感器。漫反射光电传感器价格便宜、控制简单，安装在小车前方，当检测到前方有障碍物时，传感器会输出信号给微控制器，微控制器则根据情况调整小车的运动方向或速度，实现避障功能。不过漫反射光电传感器检测距离相对较短，在一些对避障要求较高的场景中，可以结合超声波传感器，以获得更远距离和更全面的避障检测效果。
OLED 显示模块：在小车上安装 OLED 显示模块，用于显示小车的一些运行状态信息，如电池电量、当前速度、与目标的距离等。这样用户可以直观地了解小车的工作情况，方便对小车进行监控和调试。OLED 显示模块具有功耗低、显示清晰、体积小等优点，非常适合应用于小型智能设备中。
通信模块（可选）：如果需要实现远程控制或与其他设备进行数据交互，可以添加无线通信模块，如 Wi-Fi 模块或蓝牙模块。通过 Wi-Fi 模块，小车可以连接到局域网，用户可以通过手机 APP 或电脑端软件对小车进行远程控制，同时小车也可以将采集到的数据上传到服务器或与其他设备共享。蓝牙模块则适用于短距离通信场景，如与用户的手机进行简单的数据交互和控制。
（三）软件设计
UWB 数据处理算法：
TOF 算法实现：在软件中实现 TOF 算法，根据 UWB 模块发送和接收信号的时间戳，精确计算出标签与各个基站之间的距离。通过对多个距离测量值进行滤波处理，如采用卡尔曼滤波算法，可以有效去除噪声干扰，提高距离测量的准确性和稳定性。
位置解算算法：基于三角测量法或多边测量法，利用多个基站与标签之间的距离信息，解算出标签（即目标）在小车坐标系中的位置坐标。以三角测量法为例，假设三个基站在小车上的位置坐标已知，通过测量标签到这三个基站的距离，根据三角形的几何关系，可以通过解方程组的方式计算出标签的坐标。在实际应用中，为了提高位置解算的精度和可靠性，可以采用加权最小二乘法等优化算法对解算结果进行进一步处理。
运动控制算法：
路径规划算法：根据目标的位置坐标以及小车当前的位置和姿态，规划出小车的运动路径。常见的路径规划算法有 A * 算法、Dijkstra 算法等。在简单的跟随场景中，可以采用基于距离和角度的直接跟随算法，即根据目标与小车之间的距离和角度偏差，计算出小车需要前进的速度和转弯的角度，使小车能够沿着最短路径或最优路径跟随目标。例如，如果目标在小车前方且偏离小车当前行驶方向一定角度，小车则根据这个角度偏差调整转向电机，同时根据距离调整前进速度，使自己逐渐靠近目标并保持跟随状态。
PID 控制算法：为了实现小车运动的精确控制，采用 PID（比例 - 积分 - 微分）控制算法对电机的转速和转向进行调节。PID 控制器根据小车当前的实际位置与目标位置之间的偏差，通过调整比例系数、积分系数和微分系数，计算出合适的控制量，输出给电机驱动模块，从而使小车能够快速、稳定地跟踪目标位置的变化，减少运动过程中的振荡和误差。在实际应用中，需要根据小车的具体性能和运行环境，对 PID 参数进行调试和优化，以达到最佳的控制效果。
系统软件流程：
系统初始化：在小车启动时，对各个硬件模块进行初始化设置，包括 UWB 模块、微控制器、电机驱动模块、避障传感器、OLED 显示模块等。初始化过程中，配置各个模块的工作参数，如 UWB 模块的通信频率、微控制器的时钟频率、电机驱动模块的控制模式等，确保各个模块能够正常工作。
UWB 数据采集：UWB 模块持续发送和接收信号，采集标签与基站之间的距离数据，并将这些数据通过通信接口传输给微控制器。微控制器对接收到的数据进行预处理，如去除异常值、滤波等，以提高数据的可靠性。
位置解算与路径规划：微控制器根据预处理后的 UWB 距离数据，运用位置解算算法计算出目标的位置坐标。然后结合小车当前的位置和姿态信息，采用路径规划算法规划出小车的运动路径，并生成相应的运动控制指令，包括前进速度、转弯角度等。
运动控制与避障：电机驱动模块根据微控制器发送的运动控制指令，驱动电机运转，使小车按照规划的路径运动。在小车运动过程中，避障传感器实时检测前方是否存在障碍物。一旦检测到障碍物，避障传感器立即向微控制器发送信号，微控制器暂停当前的运动控制指令，启动避障程序，通过调整小车的运动方向或速度，使小车避开障碍物后再恢复原来的跟随路径。
状态显示与通信（可选）：OLED 显示模块实时显示小车的运行状态信息，如电池电量、速度、与目标的距离等。如果小车配备了通信模块，微控制器还可以将小车的运行数据通过无线通信方式发送给远程设备，同时接收远程设备发送的控制指令，实现远程控制功能。