【经验】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

时间： 2022-09-20 来源：桃芯科技官网

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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。

整体框架

AoA自动跟随小车主要包括以下部件、模块。

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。

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：

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；

解析JSON结果时，算法程序可能报错（status != 'ok'）；

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：

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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