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(jì)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HCSR04；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(diǎn)，測出各目標(biāo)點(diǎn)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(shí)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(diǎn),，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(xiàng)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(diǎn),，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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性很難保證,。路標(biāo)法的定位中,，若有一個(gè)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(diǎn)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(jì)簡單,、易操作,、成本低的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于餐廳服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì),，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(jì)

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)與各目標(biāo)點(diǎn)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(shí)時(shí)顯示,，從而通過控制時(shí)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HCSR04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(shí),，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(diǎn)。

2硬件設(shè)計(jì)

　　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(jì)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(shí)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(shí)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?yàn)槠渚哂懈哌_(dá)1°~2°的測量精度,；同時(shí)采用I2C數(shù)字接口通信,，高效、穩(wěn)定,，程序設(shè)計(jì)簡單,。需要特別注意的是：

　　（1）為防止干擾,，使用時(shí)應(yīng)避免該模塊直接與金屬物體接觸,；

　　（2）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(shí)，可以用一個(gè)小范圍的值代替特定值,。

　　該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí),，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(jì)算，其中x和y表示讀出HMC5883L寄存器中的值,。

　　經(jīng)過此運(yùn)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(shí),，x軸所指向的方位為南,。

　　2.3電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)

　　電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計(jì)如圖2，驅(qū)動芯片采用L293,，一個(gè)芯片可以驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī),，簡化了系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，同時(shí),，在引腳電平低于一定水平時(shí),，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(jì)如圖3,。其中，光電對管選用ITR9608,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),，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(jì)算車輪的轉(zhuǎn)速,，并通過LCD1602實(shí)時(shí)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(jì)數(shù)次數(shù)為2n，單位時(shí)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(gè)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HCSR04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(shí)間計(jì)算障礙物的距離,，即：

　　距離=（高電平時(shí)間×聲速）/2(3)

3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)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(shí)檢測障礙,，設(shè)計(jì)了10 ms計(jì)數(shù)法，同時(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)間，該時(shí)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(diǎn)所設(shè)角度，不斷循環(huán),，直到最后一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)停止,。

　　（4）在直行過程中,，用TIM2定時(shí)器產(chǎn)生1 ms時(shí)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(gè)num變量用來計(jì)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(shí)，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;

　　}

　　（6）當(dāng)距離檢測函數(shù)Get_distance()返回值大于10 cm時(shí),，則認(rèn)為障礙已經(jīng)撤走,，此時(shí)程序通過num中保存的值可以計(jì)算出剩余要走的路程。

　?。?）返回（3）,。

4實(shí)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(jì)實(shí)驗(yàn)如下：

　　在室內(nèi)環(huán)境,，給定初始位置和各目標(biāo)點(diǎn),，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(shí)驗(yàn)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(shí),，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(shí)驗(yàn)中角度范圍為10°,。測試中的實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)分布如圖5示：O表示起點(diǎn),，A,、B、C分別為目標(biāo)點(diǎn),。

　　首先,，將小車置于O點(diǎn)尋找預(yù)設(shè)角；然后前進(jìn)50 cm,，右轉(zhuǎn)90°,，到達(dá)點(diǎn)A；接著前進(jìn)50 cm,，再右轉(zhuǎn)90°,，到達(dá)點(diǎn)B；最后前進(jìn)50 cm停止于點(diǎn)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(shí),，小車停止前進(jìn),，同時(shí)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(shí)驗(yàn)中測量其運(yùn)行時(shí)距離與角度的對應(yīng)關(guān)系，并將實(shí)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(diǎn),，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(jì)［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.

　　［3］ 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(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2014, 35(5):11691178.［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.

　　［6］ 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.