基于柵格地圖與路徑規(guī)劃的室內(nèi)定位小車

荊欣蕊，張前進(jìn)

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

眾所周知，位置感知在人們的日常生活中扮演著一個(gè)重要角色。那么如何實(shí)現(xiàn)對(duì)人和物的實(shí)時(shí)定位、高精度定位以及穩(wěn)定定位便成了一個(gè)熱門研究方向。室內(nèi)機(jī)器人、AGV 小車、醫(yī)院、停車場(chǎng)等設(shè)備以及場(chǎng)所也對(duì)定位有著相當(dāng)高的要求。文中以小車為結(jié)構(gòu)載體，設(shè)計(jì)了一款基于柵格地圖與路徑規(guī)劃的室內(nèi)定位小車。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由小車部分和上位機(jī)部分兩大部分組成。小車部分作為主要的控制對(duì)象主要完成按照上位機(jī)規(guī)劃的路徑坐標(biāo)信息進(jìn)行移動(dòng)的任務(wù)，然后通過DW1000 定位芯片實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)中小車與基站間的距離信息并傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)完成的工作主要包括按照實(shí)際情況制作等比例的柵格地圖、在制作的地圖上可以實(shí)時(shí)顯示小車的當(dāng)前位置并且可以放置障礙和目標(biāo)點(diǎn)，按照小車的當(dāng)前位置和設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)尋找最優(yōu)路徑并通過串口發(fā)送給小車。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 和2 所示。

圖1 小車控制設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32 處理器

本設(shè)計(jì)采用ST 公司的STM32F103 作為中央處理器，它的功耗很低，具有32 位ARM Cortex-M3 結(jié)構(gòu)，有著高達(dá)64kB 的SRAM 和512kB 的FLASH、多個(gè)豐富的定時(shí)器（2 個(gè)基本定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器以及4 個(gè)通用定時(shí)器）等，是一款性價(jià)比極其強(qiáng)悍的芯片，因此我們選擇了它作為我們的中央處理芯片。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N 也是ST 公司的產(chǎn)品，其內(nèi)容包含了4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，含有兩個(gè)H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，來接收標(biāo)準(zhǔn)的TTL 邏輯電平信號(hào)，而且還可以驅(qū)動(dòng)46V、2A 以下的電機(jī)，使用PWM 信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。本設(shè)計(jì)中該模塊主要完成控制小車移動(dòng)的工作。

2.3 藍(lán)牙模塊

圖2 上位機(jī)控制設(shè)計(jì)框圖

藍(lán)牙模塊是指具有用于短距離無線通信藍(lán)牙功能的集成電路。本設(shè)計(jì)中使用的藍(lán)牙模塊為ATK-HC05-V11。該模塊具有主從一體的特性，可以同多種攜帶藍(lán)牙功能的智能終端匹配，性價(jià)比極高。且該模塊使用方便，易于操作，因此選擇其作為無線通訊的一種方式。

2.4 DW1000 定位芯片

DW1000 單片無線收發(fā)芯片，是基于超寬帶技術(shù)，支持實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中的物體，在室內(nèi)精度為10cm，功耗低，電池可以支持長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，在本設(shè)計(jì)中該模塊的主要作用是完成對(duì)小車的定位功能。

2.5 GY-901

GY-901 模塊由精度很高的陀螺儀、地磁場(chǎng)傳感器和加速度計(jì)組成，它采用了高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)結(jié)算與卡爾曼濾波算法，可以快速求解出實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，而且穩(wěn)定性很高。在本設(shè)計(jì)中該模塊的主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)小車的姿態(tài)，來控制小車走直線。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境

3.1.1 下位機(jī)開發(fā)軟件是KeilμVision5

KeilμVision5 是美國(guó) Keil Software 公司開發(fā)的產(chǎn)品，它是KeilμVision 的第5 代產(chǎn)品。它不僅支持C 語言編寫，而且也為宏匯編等提供了完整的開發(fā)方案。作為新一代的嵌入式編程軟件，KeilμVision5 為開發(fā)人員提供了簡(jiǎn)易的開發(fā)方式，極大提高了開發(fā)人員的開發(fā)效率。

3.1.2 上位機(jī)開發(fā)軟件——Qt Creator

Qt Creator 是跨平臺(tái)的Qt IDE，是Qt 被Nokia 收購(gòu)后推出的一款新的輕量級(jí)集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。此IDE不僅可以跨平臺(tái)運(yùn)行，而且支持的系統(tǒng)包括Linux、Mac OS X 以及Windows。本設(shè)計(jì)中利用這個(gè)軟件來完成開發(fā)任務(wù)。

3.2 系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)主要由小車和測(cè)距組成。小車的程序框圖如圖3 所示。小車調(diào)速是用的PWM 調(diào)速，PWM 又稱脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），是一種在輸出信號(hào)周期（使能輸出周期和非使能周期的總和）不變的情況下，改變使能輸出信號(hào)的周期和非使能周期，即改變使能輸出周期占輸出信號(hào)周期比例的大小，從而控制輸出功率的方法，就是通過改變脈沖的占空比D=t/T，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。測(cè)距部分程序框圖如圖4 所示。本設(shè)計(jì)中的DW1000 測(cè)距采用的是雙向測(cè)距（double-sided Two-way Ranging）。

圖3

圖4

3.3 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過下位機(jī)，我們將DWM1000 模塊測(cè)量的距離信息封裝成幀通過串口發(fā)送給上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后需要根據(jù)協(xié)議將每個(gè)基站間的距離和標(biāo)簽到基站的距離都計(jì)算出來，然后繪制柵格地圖，我們需根據(jù)串口的位置信息在柵格地圖中顯示出來。

我們已知由基站0 到基站1 的距離，標(biāo)簽到基站0 的距離，標(biāo)簽到基站1 的距離組成的三角形各邊的邊長(zhǎng)和由基站0 到基站2 的距離，標(biāo)簽到基站0 的距離，標(biāo)簽到基站2 的距離組成的三角形各邊的邊長(zhǎng)，如圖5 所示，則我們就可以通過海倫公式將小車的坐標(biāo)實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來。然后用A*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，A*算法經(jīng)常應(yīng)用于路徑查找和圖形遍歷，它有較好的性能和準(zhǔn)確度。A*算法過程是首先遍歷起點(diǎn)周圍鄰近的點(diǎn)，再遍歷已經(jīng)遍歷過點(diǎn)的鄰近點(diǎn)，然后按照這個(gè)過程逐步向外擴(kuò)散，直到通過遍歷找到終點(diǎn)。當(dāng)上位機(jī)搜索完路徑后，我們需要將規(guī)劃的路徑坐標(biāo)發(fā)送給下位機(jī)，讓小車去執(zhí)行。

圖5

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)目前主流的室內(nèi)技術(shù)進(jìn)行比較與分析，并對(duì)超寬帶定位技術(shù)的定位方法和定位算法進(jìn)行了研究；對(duì)目前的定位算法進(jìn)行了分析和比較，并使用A*算法對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃。但是定位技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)是綜合諸多學(xué)科的技術(shù)，本文對(duì)其的研究尚存不足。在后續(xù)的學(xué)習(xí)工作中，將在超寬帶定位技術(shù)和優(yōu)化A*算法方面進(jìn)一步探究，做更深層次的研究與學(xué)習(xí)。