室內(nèi)移動(dòng)物體的定位與跟蹤設(shè)計(jì)

劉陽 牛長流 王迪 張?zhí)?/p>

北方工業(yè)大學(xué)

室內(nèi)移動(dòng)物體的定位與跟蹤設(shè)計(jì)

劉陽 牛長流 王迪 張?zhí)?/p>

北方工業(yè)大學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域室內(nèi)移動(dòng)物體的定位與跟蹤是當(dāng)今研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，本文提出一種基于超聲波定位技術(shù)與界面控制程序相融合的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體的定位與跟蹤方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性，可連續(xù)長時(shí)間工作，穩(wěn)定性良好，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)移動(dòng)物體的定位與跟蹤控制。

室內(nèi)定位 超聲波 跟蹤控制

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速深入地發(fā)展，基于位置的業(yè)務(wù)的需求不斷增加。特別是在一些室內(nèi)環(huán)境下，比如購物中心、工業(yè)倉庫、大型礦井、大型展廳中，經(jīng)常需要移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)位置信息。

在大型商場(chǎng)中，需要知道有多少家商店、目標(biāo)商店在哪里、如何過去等，若能提供室內(nèi)定位及導(dǎo)航服務(wù)，以上問題均可解決。在工業(yè)倉庫中，無人駕駛小車(AGV，Automated Guided Vehicle)或機(jī)器人逐漸代替了人進(jìn)行搬運(yùn)工作，但是它無法對(duì)位置進(jìn)行感知，若能為它提供定位服務(wù)，就可以大大提高其智能性。在大型礦井或大型展廳內(nèi)，室內(nèi)定位系統(tǒng)可以快速地對(duì)人員進(jìn)行定位，在意外發(fā)生時(shí)，可以快速地到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施救援。除此之外，室內(nèi)定位還可以實(shí)現(xiàn)社交需求、市場(chǎng)推廣需求，例如實(shí)現(xiàn)名片互換，微博、打折信息推送，以類似微信的方式進(jìn)行交友互動(dòng)等等，有著很好的應(yīng)用前景。

2 超聲波定位系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)

對(duì)于基于距離的定位算法來說，首先需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度，然后再利用該信息進(jìn)行定位計(jì)算。而與距離無關(guān)的定位算法則通過系統(tǒng)本身的特性去定位，不會(huì)專門的去測(cè)距或測(cè)角度。

本文利用超聲波技術(shù)搭建室內(nèi)定位系統(tǒng)，其分為定位子系統(tǒng)與顯示子系統(tǒng)這兩個(gè)子系統(tǒng)。定位子系統(tǒng)利用超聲波進(jìn)行測(cè)距，采用TOA測(cè)距法、最大似然估計(jì)法進(jìn)行定位計(jì)算，得到位置信息之后傳輸給顯示子系統(tǒng)。顯示子系統(tǒng)是PC機(jī)上基于C++的界面程序，其通過RS232串口獲取移動(dòng)物體的位置信息，將收到的位置信息顯示在界面上，同時(shí)支持輸入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體的遠(yuǎn)程控制。

定位子系統(tǒng)中存在的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)會(huì)影響到系統(tǒng)的工作流程。當(dāng)定位子系統(tǒng)中僅存在一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，直接啟動(dòng)定位過程對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。當(dāng)定位子系統(tǒng)中存在多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先會(huì)啟動(dòng)試探過程，試探出各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所處的大致區(qū)域。此時(shí)，再判斷各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域是否有重合，若有重合，則以輪詢的方式進(jìn)行定位。若無重合，則同時(shí)對(duì)各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

圖1 定位子系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)圖

定位子系統(tǒng)的簡要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。定位子系統(tǒng)由多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)待定位的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分布在天花板上，搭載超聲波接收模塊、定時(shí)器和射頻收發(fā)模塊，可接收超聲波信號(hào)、計(jì)算超聲波傳播時(shí)間、收發(fā)射頻信號(hào)，具有固定的坐標(biāo)，系統(tǒng)搭建完成后位置不再改變。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則在整個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋的定位區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，搭載超聲波發(fā)射模塊與射頻收發(fā)模塊，可發(fā)射超聲波信號(hào)、收發(fā)射頻信號(hào)，可在定位范圍內(nèi)自由移動(dòng)。

3 本系統(tǒng)各個(gè)部分工作原理和框架設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖2 本系統(tǒng)工作原理和框架圖

如圖2所示，基于超聲波定位子系統(tǒng)，對(duì)本系統(tǒng)中的移動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和跟蹤，首先由用戶在PC機(jī)上，對(duì)界面程序進(jìn)行操作，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置信息，并將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置信息傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一旦接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置信息，同時(shí)給所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送射頻信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)也隨之開啟。移動(dòng)物體接收到目標(biāo)位置信息后，進(jìn)入控制算法和避障程序，行駛至目標(biāo)位置。

三是科學(xué)提出投資安排建議。根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃和投資概算，科學(xué)合理地提出投資需求及年度投資建議計(jì)劃。及時(shí)向縣委、縣政府匯報(bào)，加強(qiáng)與發(fā)改、財(cái)政等部門溝通協(xié)調(diào)，加大對(duì)農(nóng)村供水工程的投入，特別是爭(zhēng)取財(cái)政資金對(duì)前期工作經(jīng)費(fèi)的支持。

3.2 顯示子系統(tǒng)

圖3 PC端界面程序示意圖

界面程序是基于MFC編程，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中移動(dòng)物體小車的實(shí)時(shí)跟蹤和控制，如圖3所示，界面上始終顯示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和移動(dòng)物體小車所在的位置，當(dāng)移動(dòng)物體小車在系統(tǒng)中移動(dòng)時(shí)，界面上會(huì)實(shí)時(shí)更新小車的位置信息，并且支持對(duì)小車圖標(biāo)的拖拽，從而輸入小車的目標(biāo)位置信息，一旦對(duì)小車輸入目標(biāo)位置信息后，界面程序會(huì)將小車的當(dāng)前位置信息和目標(biāo)位置信息，一起打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定位子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通。

若小車到目標(biāo)位置的路徑上，有障礙物干擾，則小車會(huì)沿理論路線行駛至障礙物前5cm到10cm，然后進(jìn)入避障算法，躲避障礙物并最終行駛至目標(biāo)位置。

3.3 移動(dòng)物體的控制與避障系統(tǒng)

本系統(tǒng)中的移動(dòng)物體用智能小車來替代，智能小車上搭載了STC89C52RC芯片，紅外傳感器，RS232模塊，射頻收發(fā)模塊，并負(fù)責(zé)計(jì)算小車的運(yùn)動(dòng)路徑。

3.3.1 移動(dòng)物體的控制算法設(shè)計(jì)

目前，對(duì)于移動(dòng)物體小車控制算法有很多，大致可以分為3大類：PID算法，計(jì)算力矩方法，自適應(yīng)控制法。

圖4 小車IO口定義圖

如圖4所示，要使小車全速前進(jìn)，小車全速后退，小車左轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn)，P1.0~P1.7管腳依次應(yīng)為：01010101，10101010， 10100101，01011010。

小車上搭載的射頻收發(fā)模塊，將接收到的小車當(dāng)前坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)發(fā)送給小車，小車計(jì)算出最短直線路徑，并行駛到目標(biāo)位置，小車?yán)碚撔旭傑壽E算法如下圖5所示。

圖5 小車?yán)碚撔旭傑壽E示意圖

如圖5所示，小車初始位置，當(dāng)小車接收到目標(biāo)位置坐標(biāo)時(shí)，小車會(huì)先向當(dāng)前方向前進(jìn)，判斷車頭朝向，移動(dòng)后小車位置。

每一次小車接收到新的目標(biāo)位置信息時(shí)，都要先判斷車頭的方向和目標(biāo)位置在車頭的哪一邊，從而確定小車應(yīng)該左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。

首先，若y2-y1<0，則需要調(diào)整車頭方向，之后等待重新接收目標(biāo)位置信息，待接收后，小車開始計(jì)算相關(guān)參數(shù)，步驟如下：

當(dāng)y2-y1>=0，且n>=q時(shí)，向右轉(zhuǎn)，當(dāng)y2-y1>=0，且n

當(dāng)y2-y1<0，且n>=q時(shí)，向左轉(zhuǎn)，當(dāng)y2-y1<0，且n

經(jīng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算小車全速前進(jìn)的速度，小車從起點(diǎn)行駛到目標(biāo)點(diǎn)的距離，需要的時(shí)間，最后實(shí)現(xiàn)小車從起點(diǎn)最終到達(dá)目標(biāo)位置。

3.3.2 移動(dòng)物體的避障程序設(shè)計(jì)

針對(duì)紅外避障局限性略高，范圍較小等情況，為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性本設(shè)計(jì)中加入了四分紅外探頭用于避障，分別是小車的正面兩個(gè)（前左前右），側(cè)面左右各一個(gè)。

紅外避障的程序流程（圖6）為檢測(cè)管腳是否為低電平，中斷優(yōu)先級(jí)為高級(jí)，即外部中斷，若前端1個(gè)管腳為低電平則向高電平端拐30度，若前端2個(gè)管腳為低電平則進(jìn)向右拐90度，若3個(gè)管腳為低電平則向高電平端拐30度，若4個(gè)管腳都為低電平則先倒車然后向右拐90度。

圖6 紅外避障的程序流程圖

本系統(tǒng)中，小車采用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)實(shí)際發(fā)射頭與接收頭于一體的檢測(cè)開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析

本章對(duì)室內(nèi)移動(dòng)物體的定位與跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。首先對(duì)移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析理論軌跡和實(shí)際軌跡的誤差，最后對(duì)系統(tǒng)避障程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并分析結(jié)果，得出結(jié)論。

4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析

移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡是否精確是系統(tǒng)效率高低的基礎(chǔ)。分別給定10個(gè)目標(biāo)位置坐標(biāo)A，B，C，D，E，使移動(dòng)物體小車在隨機(jī)的初始位置向目標(biāo)位置行駛，分別記下小車每次實(shí)際到達(dá)的目標(biāo)位置坐標(biāo)A′，B′，C′，D′，E′，計(jì)算AA′~EE′的距離Δd(cm)，因此，絕對(duì)誤差為Δdx。再對(duì)所有的絕對(duì)誤差求平均值，得到平均誤差ε。如表1所示，隨著距離的增加，測(cè)量誤差始終穩(wěn)定在3.2cm以內(nèi)。最后計(jì)算得到平均誤差ε=2.418cm。

表1 移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論及展望

室內(nèi)定位是一個(gè)很大的領(lǐng)域，本文利用超聲波技術(shù)做了一些研究工作，仍有許多工作需要繼續(xù)完成，例如如何擴(kuò)大定位系統(tǒng)的覆蓋范圍，如何進(jìn)一步的提高定位系統(tǒng)的定位速度及準(zhǔn)確度，如何將超聲室內(nèi)定位技術(shù)與室外定位技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接等。小車控制算法也是一個(gè)很大的新興領(lǐng)域，例如如何擴(kuò)大小車控制范圍，如何提高小車控制算法精度等。

[1]王勇.王雪.孫欣堯.基于稀疏信號(hào)重構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012,33(2):362-368

[2]Lee Dik Lun, Xu Jian-Liang, Zheng Bai-Hua et al. Data management in location-dependent information services. IEEE Pervasive Computing, 2002, 1(3): 65-72

[3]劉劍敏.馬履中.許子紅.振動(dòng)篩兩平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008.39(2):59-62

[4]呂常智.姚志科.基于無線通信的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械,2012.33(3):239-241

[5]Hong-Liang, Shi Yuan-Chun, Xu Guang-You et al. A core model supporting location-aware computing in smart classroom Proceedings of the 4th International Conference on Web-based Learning. Hong Kong, 2005: 1-13

[6]曹磊.紅外無源定位技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2006.1(3):65-72

[7]張華，宋正勛，石云，李娜，張福威.基于超寬帶的TOA定位技術(shù)研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2008，01:106-110

[8]Bahl P, Padmanabhan V N. RADAR: An in-building RF-based user location and tracking system//Proceedings of the 19th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM 2000). Tel Aviv, Is-rael, 2000: 775-784

[9]韓晶.基于RFID標(biāo)簽的定位原理和技術(shù)[J].電子科技，2011，07:64-67

[10]李泱.基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2013