李佳佳，李智，管四海

　?。ㄎ靼搽娮涌萍即髮W 機電工程學院，陜西 西安 710071）

        摘要：針對現有室內定位技術模型復雜、成本高等問題，設計了一種基于路徑規(guī)劃的室內小車定位系統(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，采用極坐標的表示方法，給定室內初始位置和目標點，測出各目標點相對于初始位置的偏角和距離，依據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)不僅能使小車準確到達目標點，而且還能有效避障。

　　關鍵詞：室內定位；路徑規(guī)劃；極坐標

　　中圖分類號：TN96文獻標識碼：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)劃的室內小車定位系統(tǒng)［J］.微型機與應用，2017,36（7）：84-87.

0引言

　　*基金項目：國家自然科學基金（61673310）GPS定位系統(tǒng)由于其快速、高效、全球覆蓋等特點，被廣泛地應用于汽車導航、工程測量、飛機導航等領域。而在室內，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定位的要求?，F有的室內定位技術主要有RFID、視頻、ZibBee［1］、藍牙［2］、WLAN［3］等，但由于室內物體間距離較短，信號存在反射、衍射和繞射等非直線傳播的情況，再加之現有設備分辨率不足，使得室內定位誤差較大［2］。

　　在現有的室內路徑規(guī)劃定位系統(tǒng)中，大多使用柵格構圖法和路標法［4］進行室內定位，其中柵格構圖法是在機器人行走過程中，實時構建地圖并規(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。路標法的定位中，若有一個路標出現故障，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的方式確定位置，根據各目標點的位置，事先為智能小車規(guī)劃好行走路線［5］，避免了復雜算法的優(yōu)化和參照物的使用，還能有效避障。本系統(tǒng)具有設計簡單、易操作、成本低的特點，可以應用于餐廳服務機器人的設計，以機器人代替人工送餐，給人們的生活帶來便利。

1系統(tǒng)整體設計

　　系統(tǒng)整體結構設計如圖1，流程如下：

　　圖1基于路徑規(guī)劃的室內定位系統(tǒng)結構框圖首先需要事先測量小車的起點與各目標點的距離ρ1,ρ2…ρn和角度θ1,θ2…θn，并將坐標表示為(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速，并通過LCD1602實時顯示，從而通過控制時間來達到控制小車前進指定距離的目的。利用HMC5883L電子羅盤測量角度，將電子羅盤的測量數據通過I2C總線傳輸到主控芯片STM32F103ZET6，主控芯片將傳感器采集的數據進行分析處理，進而控制電機轉動使車前進。在此期間，通過舵機帶動HCSR04超聲波模塊不斷地轉動測距，當測得距離小于某一設定值時，控制小車停止，并且繼續(xù)不斷檢測距離。當撤去障礙物，再按事先規(guī)劃的路徑繼續(xù)前進，到達目標點。

2硬件設計

　　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位處理器更強的數據處理能力、更豐富的外設接口。在該系統(tǒng)設計中，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總線的方式實現穩(wěn)定的信息傳輸。選用PB6和PB7模擬I2C總線的SCL和SDA，實現了與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1°~2°的測量精度；同時采用I2C數字接口通信，高效、穩(wěn)定，程序設計簡單。需要特別注意的是：

　?。?）為防止干擾，使用時應避免該模塊直接與金屬物體接觸；

　?。?）在電磁干擾較大的室內環(huán)境，要對該模塊進行校正［6］，以確保測量的準確；

　?。?）由于其測量靈敏，在設置轉角時，可以用一個小范圍的值代替特定值。

　　該系統(tǒng)在設計時，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。

　　經過此運算后，將電子羅盤測得的數據范圍轉化為0°~360°。即在0°時，x軸所指向的方位為南。

　　2.3電機驅動設計

　　電機驅動模塊電路設計如圖2，驅動芯片采用L293，一個芯片可以驅動兩個直流電機，簡化了系統(tǒng)電路的設計，同時，在引腳電平低于一定水平時，芯片停止工作，對電源起到了保護作用。電機調速方式為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行速度的調節(jié)。

　　2.4測速模塊

　　測速模塊電路設計如圖3。其中，光電對管選用ITR9608，在系統(tǒng)設計時，將碼盤固定在電機上，并置于光電對管的凹槽中，車輪帶動碼盤轉動，將PWM的信號傳輸至主控芯片，從而計算車輪的轉速，并通過LCD1602實時顯示。

　　設車輪速度為v，直徑為d，光電碼盤的齒數是n，即車輪轉動一周的計數次數為2n，單位時間高低電平的變化次數為t，則車輪速度：

　　2.5超聲波避障模塊

　　該系統(tǒng)將超聲波和舵機通過云臺結合起來，放在車體的最前端，通過轉動舵機獲取小車各個方向的距離值，進行障礙處理。在對舵機的控制中，用不同寬度的脈沖信號，對應舵機轉動的不同角度。選用的HCSR04超聲波模塊測量范圍可達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軟件設計

　　軟件設計流程如圖4所示，其主要部分包括系統(tǒng)初始化、采集角度數據、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，設計了10 ms計數法，同時定義num變量，保存測距函數執(zhí)行的次數，從而達到記錄距離的目的。在避障函數中，控制舵機左轉、居中、右轉，不斷地循環(huán)，達到多方位檢測距離的目的。具體程序設計如下：　

　?。?）先對系統(tǒng)的外設資源初始化，然后判斷當jiaodu≠預設角時，執(zhí)行右轉函數Turn_Right()，直到jiaodu=預設角，執(zhí)行停止函數Stop()，并使得標志位set=1。

　　jiaodu=read_HMC5883L();

　　if(jiaodu>=5&&jiaodu<=355)//預設角度為0

　　{ while(jiaodu>=5&&jiaodu<=355 )

　　{ Turn_Right();

　　jiaodu=read_HMC5883L();

　　}

　　Stop();

　　set=1;

　　Delayms(2000);

　　}

　?。?）當set=1時，表明已找到指定方向，執(zhí)行直行函數Go()，并延遲適當時間，該時間由目標距離和車速決定。

　　if(set==1)

　　{set=0;

　　just_car();//前進中避障

　　Stop();

　　}

　?。?）接著獲取角度值，判斷是否為下一目標點所設角度，不斷循環(huán)，直到最后一個目標點停止。

　?。?）在直行過程中，用TIM2定時器產生1 ms時基信號，每隔10 ms，執(zhí)行一次距離檢測函數Get_distance()和障礙處理函數Handle_bar()。并定義一個num變量用來計數，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++;

　　}

　　}

　　}

　　（5）當Get_distance()返回值小于10 cm時，則認為前方存在障礙，執(zhí)行障礙處理函數Handle_bar()。

　　void Handle_bar()

　　{if(juli_cm < 10)

　　{ while(1)

　　{

　　障礙處理

　　……

　　}

　　}

　　else

　　Go();

　　break;

　　}

　　（6）當距離檢測函數Get_distance()返回值大于10 cm時，則認為障礙已經撤走，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)能準確定位且能有效避障，設計實驗如下：

　　在室內環(huán)境，給定初始位置和各目標點，并假定預設角為0°，即正南方向，對小車進行直行和轉彎定位測試。為了更易觀察實驗效果，設定直行距離為50 cm，轉角為90°，避障距離為10 cm。設置預設角時，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°。測試中的實際目標點分布如圖5示：O表示起點，A、B、C分別為目標點。

　　首先，將小車置于O點尋找預設角；然后前進50 cm，右轉90°，到達點A；接著前進50 cm，再右轉90°，到達點B；最后前進50 cm停止于點C。在小車前進過程中，將手擋在小車的前方作為障礙物，當手與小車距離小于10 cm時，小車停止前進，同時舵機帶動超聲波模塊左右轉動測距，若障礙一直存在，則會循環(huán)檢測距離，直到將障礙物撤去，此后小車繼續(xù)前進剩余距離。實驗中測量其運行時距離與角度的對應關系，并將實際測得的軌跡與理想軌跡進行仿真，結果如圖6。從圖6中可知，基于路徑規(guī)劃的室內小車定位系統(tǒng)，能夠在有效誤差范圍內到達各目標點，完成室內定位任務。

參考文獻

　　［1］ 何海平，郭杭，方爽.基于模糊聚類的ZigBee室內定位系統(tǒng)設計［J］.電子技術應用，2016,42(5)：71-77.

　　［2］ 陳國平，馬耀輝，張百珂.基于指紋技術的藍牙室內定位系統(tǒng)［J］. 電子技術應用，2013,39(3)：104-107.

　?。?］ 劉洺辛, 孫建利. 基于能效的WLAN室內定位系統(tǒng)模型設計與實現［J］. 儀器儀表學報, 2014, 35(5):11691178.［4］ 宋婷.室內移動機器人路徑規(guī)劃與定位技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

　?。?］ JARVIS R. Distance transform based path planning for robot navigation［M］. Singapore：World Scientific, 1993.

　?。?］ 劉詩斌，馮小毅，李宏.基于橢圓假設的電子羅盤誤差補償方法［J］.傳感器技術，2002,21(10)：28-33.