李佳佳，李智，管四海
?。ㄎ靼搽娮涌萍即髮W(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）
摘要：針對現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)模型復(fù)雜、成本高等問題，設(shè)計了一種基于路徑規(guī)劃的室內(nèi)小車定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主控芯片選用STM32F103ZET6，偏角測量模塊基于HMC5883L，障礙處理模塊選用HCSR04；另外，采用極坐標(biāo)的表示方法，給定室內(nèi)初始位置和目標(biāo)點，測出各目標(biāo)點相對于初始位置的偏角和距離，依據(jù)相對偏角和相對距離規(guī)劃小車的行走路徑。實際環(huán)境測試表明，該系統(tǒng)不僅能使小車準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)點，而且還能有效避障。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；路徑規(guī)劃；極坐標(biāo)
中圖分類號：TN96文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.025
引用格式：李佳佳，李智，管四海.基于路徑規(guī)劃的室內(nèi)小車定位系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：84-87.
0引言
*基金項目：國家自然科學(xué)基金（61673310）GPS定位系統(tǒng)由于其快速、高效、全球覆蓋等特點，被廣泛地應(yīng)用于汽車導(dǎo)航、工程測量、飛機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域。而在室內(nèi)，由于建筑物的遮擋，GPS的信號會減弱，并且精度滿足不了室內(nèi)定位的要求?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)主要有RFID、視頻、ZibBee［1］、藍(lán)牙［2］、WLAN［3］等，但由于室內(nèi)物體間距離較短，信號存在反射、衍射和繞射等非直線傳播的情況，再加之現(xiàn)有設(shè)備分辨率不足，使得室內(nèi)定位誤差較大［2］。
在現(xiàn)有的室內(nèi)路徑規(guī)劃定位系統(tǒng)中，大多使用柵格構(gòu)圖法和路標(biāo)法［4］進(jìn)行室內(nèi)定位，其中柵格構(gòu)圖法是在機(jī)器人行走過程中，實時構(gòu)建地圖并規(guī)劃路徑，但在定位過程中，需要搜索的空間范圍很大，若沒有很好的簡化算法，實時性很難保證。路標(biāo)法的定位中，若有一個路標(biāo)出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性就會受到很大的影響。本文采用二維極坐標(biāo)的方式確定位置，根據(jù)各目標(biāo)點的位置，事先為智能小車規(guī)劃好行走路線［5］，避免了復(fù)雜算法的優(yōu)化和參照物的使用，還能有效避障。本系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、易操作、成本低的特點，可以應(yīng)用于餐廳服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計，以機(jī)器人代替人工送餐，給人們的生活帶來便利。
1系統(tǒng)整體設(shè)計
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1，流程如下：
圖1基于路徑規(guī)劃的室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖首先需要事先測量小車的起點與各目標(biāo)點的距離ρ1,ρ2…ρn和角度θ1,θ2…θn，并將坐標(biāo)表示為(ρ1,θ1),(ρ2,θ2)…(ρn,θn)；然后利用碼盤和光電對管測出固定占空比下的車輪轉(zhuǎn)速，并通過LCD1602實時顯示，從而通過控制時間來達(dá)到控制小車前進(jìn)指定距離的目的。利用HMC5883L電子羅盤測量角度，將電子羅盤的測量數(shù)據(jù)通過I2C總線傳輸?shù)街骺匦酒琒TM32F103ZET6，主控芯片將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使車前進(jìn)。在此期間，通過舵機(jī)帶動HCSR04超聲波模塊不斷地轉(zhuǎn)動測距，當(dāng)測得距離小于某一設(shè)定值時，控制小車停止，并且繼續(xù)不斷檢測距離。當(dāng)撤去障礙物，再按事先規(guī)劃的路徑繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)目標(biāo)點。
2硬件設(shè)計
2.1主控芯片
該系統(tǒng)的主控芯片選用STM32F103ZET6，此芯片作為32位ARM微控制器，有著比16位、8位處理器更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、更豐富的外設(shè)接口。在該系統(tǒng)設(shè)計中，由于STM32系列微控制器的I2C接口穩(wěn)定性較差，因此采用IO口模擬I2C總線的方式實現(xiàn)穩(wěn)定的信息傳輸。選用PB6和PB7模擬I2C總線的SCL和SDA，實現(xiàn)了與HMC5883L模塊的穩(wěn)定通信。
2.2HMC5883L模塊
霍尼韋爾HMC5883L是一種高集成模塊，選其為偏角測量模塊，是因為其具有高達(dá)1°~2°的測量精度；同時采用I2C數(shù)字接口通信，高效、穩(wěn)定，程序設(shè)計簡單。需要特別注意的是：
?。?）為防止干擾，使用時應(yīng)避免該模塊直接與金屬物體接觸；
?。?）在電磁干擾較大的室內(nèi)環(huán)境，要對該模塊進(jìn)行校正［6］，以確保測量的準(zhǔn)確；
?。?）由于其測量靈敏，在設(shè)置轉(zhuǎn)角時，可以用一個小范圍的值代替特定值。
該系統(tǒng)在設(shè)計時，向小車后方加裝木板，將HMC5883L模塊固定于木板上，以降低干擾，模塊上的x和y軸即為在水平面上建立的二維坐標(biāo)系。下面給出電子羅盤返回角度θ的計算，其中x和y表示讀出HMC5883L寄存器中的值。
經(jīng)過此運算后，將電子羅盤測得的數(shù)據(jù)范圍轉(zhuǎn)化為0°~360°。即在0°時，x軸所指向的方位為南。
2.3電機(jī)驅(qū)動設(shè)計
電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計如圖2，驅(qū)動芯片采用L293，一個芯片可以驅(qū)動兩個直流電機(jī)，簡化了系統(tǒng)電路的設(shè)計，同時，在引腳電平低于一定水平時，芯片停止工作，對電源起到了保護(hù)作用。電機(jī)調(diào)速方式為PWM方式，即在周期固定的前提下，通過控制輸出脈寬的不同來進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。
2.4測速模塊
測速模塊電路設(shè)計如圖3。其中，光電對管選用ITR9608，在系統(tǒng)設(shè)計時，將碼盤固定在電機(jī)上，并置于光電對管的凹槽中，車輪帶動碼盤轉(zhuǎn)動，將PWM的信號傳輸至主控芯片，從而計算車輪的轉(zhuǎn)速，并通過LCD1602實時顯示。
設(shè)車輪速度為v，直徑為d，光電碼盤的齒數(shù)是n，即車輪轉(zhuǎn)動一周的計數(shù)次數(shù)為2n，單位時間高低電平的變化次數(shù)為t，則車輪速度：
2.5超聲波避障模塊
該系統(tǒng)將超聲波和舵機(jī)通過云臺結(jié)合起來，放在車體的最前端，通過轉(zhuǎn)動舵機(jī)獲取小車各個方向的距離值，進(jìn)行障礙處理。在對舵機(jī)的控制中，用不同寬度的脈沖信號，對應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動的不同角度。選用的HCSR04超聲波模塊測量范圍可達(dá)2 cm~400 cm，滿足該系統(tǒng)對避障精度的要求，并通過高電平的持續(xù)時間計算障礙物的距離，即：
距離=（高電平時間×聲速）/2(3)
3軟件設(shè)計
軟件設(shè)計流程如圖4所示，其主要部分包括系統(tǒng)初始化、采集角度數(shù)據(jù)、角度的判斷、避障等。系統(tǒng)選用Keil uVision5開發(fā)工具，選用C語言編程。其中，為了使智能小車在行走的同時檢測障礙，設(shè)計了10 ms計數(shù)法，同時定義num變量，保存測距函數(shù)執(zhí)行的次數(shù)，從而達(dá)到記錄距離的目的。在避障函數(shù)中，控制舵機(jī)左轉(zhuǎn)、居中、右轉(zhuǎn)，不斷地循環(huán)，達(dá)到多方位檢測距離的目的。具體程序設(shè)計如下：
?。?）先對系統(tǒng)的外設(shè)資源初始化，然后判斷當(dāng)jiaodu≠預(yù)設(shè)角時，執(zhí)行右轉(zhuǎn)函數(shù)Turn_Right()，直到j(luò)iaodu=預(yù)設(shè)角，執(zhí)行停止函數(shù)Stop()，并使得標(biāo)志位set=1。
jiaodu=read_HMC5883L();
if(jiaodu>=5&&jiaodu<=355)//預(yù)設(shè)角度為0
{ while(jiaodu>=5&&jiaodu<=355 )
{ Turn_Right();
jiaodu=read_HMC5883L();
}
Stop();
set=1;
Delayms(2000);
}
?。?）當(dāng)set=1時，表明已找到指定方向，執(zhí)行直行函數(shù)Go()，并延遲適當(dāng)時間，該時間由目標(biāo)距離和車速決定。
if(set==1)
{set=0;
just_car();//前進(jìn)中避障
Stop();
}
?。?）接著獲取角度值，判斷是否為下一目標(biāo)點所設(shè)角度，不斷循環(huán)，直到最后一個目標(biāo)點停止。
（4）在直行過程中，用TIM2定時器產(chǎn)生1 ms時基信號，每隔10 ms，執(zhí)行一次距離檢測函數(shù)Get_distance()和障礙處理函數(shù)Handle_bar()。并定義一個num變量用來計數(shù)，每過10 ms，num++。
void just_car(void)
{int num=0;
while(num<300)//延遲3 s
{if(count_1ms>10)
{ count_1ms=0;
Get_distance();
Handle_bar();
num++;
}
}
}
?。?）當(dāng)Get_distance()返回值小于10 cm時，則認(rèn)為前方存在障礙，執(zhí)行障礙處理函數(shù)Handle_bar()。
void Handle_bar()
{if(juli_cm < 10)
{ while(1)
{
障礙處理
……
}
}
else
Go();
break;
}
?。?）當(dāng)距離檢測函數(shù)Get_distance()返回值大于10 cm時，則認(rèn)為障礙已經(jīng)撤走，此時程序通過num中保存的值可以計算出剩余要走的路程。
?。?）返回（3）。
4實際測試
為了測試該系統(tǒng)能準(zhǔn)確定位且能有效避障，設(shè)計實驗如下：
在室內(nèi)環(huán)境，給定初始位置和各目標(biāo)點，并假定預(yù)設(shè)角為0°，即正南方向，對小車進(jìn)行直行和轉(zhuǎn)彎定位測試。為了更易觀察實驗效果，設(shè)定直行距離為50 cm，轉(zhuǎn)角為90°，避障距離為10 cm。設(shè)置預(yù)設(shè)角時，由于電子羅盤的靈敏度較高，因此用一定角度范圍代替具體的角度值，且在此實驗中角度范圍為10°。測試中的實際目標(biāo)點分布如圖5示：O表示起點，A、B、C分別為目標(biāo)點。
首先，將小車置于O點尋找預(yù)設(shè)角；然后前進(jìn)50 cm，右轉(zhuǎn)90°，到達(dá)點A；接著前進(jìn)50 cm，再右轉(zhuǎn)90°，到達(dá)點B；最后前進(jìn)50 cm停止于點C。在小車前進(jìn)過程中，將手擋在小車的前方作為障礙物，當(dāng)手與小車距離小于10 cm時，小車停止前進(jìn)，同時舵機(jī)帶動超聲波模塊左右轉(zhuǎn)動測距，若障礙一直存在，則會循環(huán)檢測距離，直到將障礙物撤去，此后小車?yán)^續(xù)前進(jìn)剩余距離。實驗中測量其運行時距離與角度的對應(yīng)關(guān)系，并將實際測得的軌跡與理想軌跡進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6。從圖6中可知，基于路徑規(guī)劃的室內(nèi)小車定位系統(tǒng)，能夠在有效誤差范圍內(nèi)到達(dá)各目標(biāo)點，完成室內(nèi)定位任務(wù)。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 何海平，郭杭，方爽.基于模糊聚類的ZigBee室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016,42(5)：71-77.
?。?］ 陳國平，馬耀輝，張百珂.基于指紋技術(shù)的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013,39(3)：104-107.
?。?］ 劉洺辛, 孫建利. 基于能效的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)模型設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 儀器儀表學(xué)報, 2014, 35(5):11691178.［4］ 宋婷.室內(nèi)移動機(jī)器人路徑規(guī)劃與定位技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.
?。?］ JARVIS R. Distance transform based path planning for robot navigation［M］. Singapore：World Scientific, 1993.
?。?］ 劉詩斌，馮小毅，李宏.基于橢圓假設(shè)的電子羅盤誤差補(bǔ)償方法［J］.傳感器技術(shù)，2002,21(10)：28-33.