室內移動物體的定位與跟蹤設計

劉陽 牛長流 王迪 張天

北方工業大學

室內移動物體的定位與跟蹤設計

劉陽 牛長流 王迪 張天

北方工業大學

物聯網領域室內移動物體的定位與跟蹤是當今研究與應用的熱點，本文提出一種基于超聲波定位技術與界面控制程序相融合的室內運動物體的定位與跟蹤方法。實驗結果表明，該控制系統具有良好的響應特性，可連續長時間工作，穩定性良好，初步實現對室內移動物體的定位與跟蹤控制。

室內定位 超聲波 跟蹤控制

1 引言

隨著移動互聯網技術快速深入地發展，基于位置的業務的需求不斷增加。特別是在一些室內環境下，比如購物中心、工業倉庫、大型礦井、大型展廳中，經常需要移動設備實時位置信息。

在大型商場中，需要知道有多少家商店、目標商店在哪里、如何過去等，若能提供室內定位及導航服務，以上問題均可解決。在工業倉庫中，無人駕駛小車(AGV，Automated Guided Vehicle)或機器人逐漸代替了人進行搬運工作，但是它無法對位置進行感知，若能為它提供定位服務，就可以大大提高其智能性。在大型礦井或大型展廳內，室內定位系統可以快速地對人員進行定位，在意外發生時，可以快速地到達現場，實施救援。除此之外，室內定位還可以實現社交需求、市場推廣需求，例如實現名片互換，微博、打折信息推送，以類似微信的方式進行交友互動等等，有著很好的應用前景。

2 超聲波定位系統原理和設計

對于基于距離的定位算法來說，首先需要測量節點之間的距離或者角度，然后再利用該信息進行定位計算。而與距離無關的定位算法則通過系統本身的特性去定位，不會專門的去測距或測角度。

本文利用超聲波技術搭建室內定位系統，其分為定位子系統與顯示子系統這兩個子系統。定位子系統利用超聲波進行測距，采用TOA測距法、最大似然估計法進行定位計算，得到位置信息之后傳輸給顯示子系統。顯示子系統是PC機上基于C++的界面程序，其通過RS232串口獲取移動物體的位置信息，將收到的位置信息顯示在界面上，同時支持輸入移動節點的目標位置信息，從而實現對移動物體的遠程控制。

定位子系統中存在的移動節點的個數會影響到系統的工作流程。當定位子系統中僅存在一個移動節點時，直接啟動定位過程對移動節點進行定位。當定位子系統中存在多個移動節點時，首先會啟動試探過程，試探出各個移動節點所處的大致區域。此時，再判斷各個移動節點所在的區域是否有重合，若有重合，則以輪詢的方式進行定位。若無重合，則同時對各個移動節點進行定位。

圖1 定位子系統簡要結構圖

定位子系統的簡要結構圖如圖1所示。定位子系統由多個信標節點、多個待定位的移動節點、一個網關節點組成。信標節點分布在天花板上，搭載超聲波接收模塊、定時器和射頻收發模塊，可接收超聲波信號、計算超聲波傳播時間、收發射頻信號，具有固定的坐標，系統搭建完成后位置不再改變。移動節點則在整個信標節點覆蓋的定位區域內移動，搭載超聲波發射模塊與射頻收發模塊，可發射超聲波信號、收發射頻信號，可在定位范圍內自由移動。

3 本系統各個部分工作原理和框架設計

3.1 系統框架設計

圖2 本系統工作原理和框架圖

如圖2所示，基于超聲波定位子系統，對本系統中的移動物體實現實時定位和跟蹤，首先由用戶在PC機上，對界面程序進行操作，確定移動節點的目標位置信息，并將移動節點的目標位置信息傳輸給網關節點，網關節點一旦接收到移動節點的目標位置信息，同時給所有信標節點和移動節點發送射頻信號，整個系統也隨之開啟。移動物體接收到目標位置信息后，進入控制算法和避障程序，行駛至目標位置。

三是科學提出投資安排建議。根據項目規劃和投資概算，科學合理地提出投資需求及年度投資建議計劃。及時向縣委、縣政府匯報，加強與發改、財政等部門溝通協調，加大對農村供水工程的投入，特別是爭取財政資金對前期工作經費的支持。

3.2 顯示子系統

圖3 PC端界面程序示意圖

界面程序是基于MFC編程，來實現對系統中移動物體小車的實時跟蹤和控制，如圖3所示，界面上始終顯示信標節點的位置和移動物體小車所在的位置，當移動物體小車在系統中移動時，界面上會實時更新小車的位置信息，并且支持對小車圖標的拖拽，從而輸入小車的目標位置信息，一旦對小車輸入目標位置信息后，界面程序會將小車的當前位置信息和目標位置信息，一起打包發送給網關節點，實現定位子系統和顯示子系統的數據互通。

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

3.3 移動物體的控制與避障系統

本系統中的移動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，射頻收發模塊，并負責計算小車的運動路徑。

3.3.1 移動物體的控制算法設計

目前，對于移動物體小車控制算法有很多，大致可以分為3大類：PID算法，計算力矩方法，自適應控制法。

圖4 小車IO口定義圖

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

小車上搭載的射頻收發模塊，將接收到的小車當前坐標和目標位置坐標發送給小車，小車計算出最短直線路徑，并行駛到目標位置，小車理論行駛軌跡算法如下圖5所示。

圖5 小車理論行駛軌跡示意圖

如圖5所示，小車初始位置，當小車接收到目標位置坐標時，小車會先向當前方向前進，判斷車頭朝向，移動后小車位置。

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

首先，若y2-y1<0，則需要調整車頭方向，之后等待重新接收目標位置信息，待接收后，小車開始計算相關參數，步驟如下：

當y2-y1>=0，且n>=q時，向右轉，當y2-y1>=0，且n

當y2-y1<0，且n>=q時，向左轉，當y2-y1<0，且n

經實驗計算小車全速前進的速度，小車從起點行駛到目標點的距離，需要的時間，最后實現小車從起點最終到達目標位置。

3.3.2 移動物體的避障程序設計

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

紅外避障的程序流程（圖6）為檢測管腳是否為低電平，中斷優先級為高級，即外部中斷，若前端1個管腳為低電平則向高電平端拐30度，若前端2個管腳為低電平則進向右拐90度，若3個管腳為低電平則向高電平端拐30度，若4個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

本系統中，小車采用漫反射式光電開關進行避障。光電開關實際發射頭與接收頭于一體的檢測開關，其工作原理是根據發射頭發出的光束，被物體反射，接收頭據此做出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據接收頭電平的高低做出相應控制，避免小車碰到障礙物。

4 系統實驗及分析

本章對室內移動物體的定位與跟蹤系統進行實驗與分析。首先對移動物體的運動軌跡進行實驗測試，分析理論軌跡和實際軌跡的誤差，最后對系統避障程序進行實驗測試，并分析結果，得出結論。

4.1 系統實驗及分析

移動物體的運動軌跡是否精確是系統效率高低的基礎。分別給定10個目標位置坐標A，B，C，D，E，使移動物體小車在隨機的初始位置向目標位置行駛，分別記下小車每次實際到達的目標位置坐標A′，B′，C′，D′，E′，計算AA′~EE′的距離Δd(cm)，因此，絕對誤差為Δdx。再對所有的絕對誤差求平均值，得到平均誤差ε。如表1所示，隨著距離的增加，測量誤差始終穩定在3.2cm以內。最后計算得到平均誤差ε=2.418cm。

表1 移動物體的運動軌跡實驗結果

5 結論及展望

室內定位是一個很大的領域，本文利用超聲波技術做了一些研究工作，仍有許多工作需要繼續完成，例如如何擴大定位系統的覆蓋范圍，如何進一步的提高定位系統的定位速度及準確度，如何將超聲室內定位技術與室外定位技術融合，實現無縫對接等。小車控制算法也是一個很大的新興領域，例如如何擴大小車控制范圍，如何提高小車控制算法精度等。

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