室内移动物体的定位与跟踪设计

刘阳 牛长流 王迪 张天

北方工业大学

室内移动物体的定位与跟踪设计

刘阳 牛长流 王迪 张天

北方工业大学

物联网领域室内移动物体的定位与跟踪是当今研究与应用的热点，本文提出一种基于超声波定位技术与界面控制程序相融合的室内运动物体的定位与跟踪方法。实验结果表明，该控制系统具有良好的响应特性，可连续长时间工作，稳定性良好，初步实现对室内移动物体的定位与跟踪控制。

室内定位 超声波 跟踪控制

1 引言

随着移动互联网技术快速深入地发展，基于位置的业务的需求不断增加。特别是在一些室内环境下，比如购物中心、工业仓库、大型矿井、大型展厅中，经常需要移动设备实时位置信息。

在大型商场中，需要知道有多少家商店、目标商店在哪里、如何过去等，若能提供室内定位及导航服务，以上问题均可解决。在工业仓库中，无人驾驶小车(AGV，Automated Guided Vehicle)或机器人逐渐代替了人进行搬运工作，但是它无法对位置进行感知，若能为它提供定位服务，就可以大大提高其智能性。在大型矿井或大型展厅内，室内定位系统可以快速地对人员进行定位，在意外发生时，可以快速地到达现场，实施救援。除此之外，室内定位还可以实现社交需求、市场推广需求，例如实现名片互换，微博、打折信息推送，以类似微信的方式进行交友互动等等，有着很好的应用前景。

2 超声波定位系统原理和设计

对于基于距离的定位算法来说，首先需要测量节点之间的距离或者角度，然后再利用该信息进行定位计算。而与距离无关的定位算法则通过系统本身的特性去定位，不会专门的去测距或测角度。

本文利用超声波技术搭建室内定位系统，其分为定位子系统与显示子系统这两个子系统。定位子系统利用超声波进行测距，采用TOA测距法、最大似然估计法进行定位计算，得到位置信息之后传输给显示子系统。显示子系统是PC机上基于C++的界面程序，其通过RS232串口获取移动物体的位置信息，将收到的位置信息显示在界面上，同时支持输入移动节点的目标位置信息，从而实现对移动物体的远程控制。

定位子系统中存在的移动节点的个数会影响到系统的工作流程。当定位子系统中仅存在一个移动节点时，直接启动定位过程对移动节点进行定位。当定位子系统中存在多个移动节点时，首先会启动试探过程，试探出各个移动节点所处的大致区域。此时，再判断各个移动节点所在的区域是否有重合，若有重合，则以轮询的方式进行定位。若无重合，则同时对各个移动节点进行定位。

图1 定位子系统简要结构图

定位子系统的简要结构图如图1所示。定位子系统由多个信标节点、多个待定位的移动节点、一个网关节点组成。信标节点分布在天花板上，搭载超声波接收模块、定时器和射频收发模块，可接收超声波信号、计算超声波传播时间、收发射频信号，具有固定的坐标，系统搭建完成后位置不再改变。移动节点则在整个信标节点覆盖的定位区域内移动，搭载超声波发射模块与射频收发模块，可发射超声波信号、收发射频信号，可在定位范围内自由移动。

3 本系统各个部分工作原理和框架设计

3.1 系统框架设计

图2 本系统工作原理和框架图

如图2所示，基于超声波定位子系统，对本系统中的移动物体实现实时定位和跟踪，首先由用户在PC机上，对界面程序进行操作，确定移动节点的目标位置信息，并将移动节点的目标位置信息传输给网关节点，网关节点一旦接收到移动节点的目标位置信息，同时给所有信标节点和移动节点发送射频信号，整个系统也随之开启。移动物体接收到目标位置信息后，进入控制算法和避障程序，行驶至目标位置。

三是科学提出投资安排建议。根据项目规划和投资概算，科学合理地提出投资需求及年度投资建议计划。及时向县委、县政府汇报，加强与发改、财政等部门沟通协调，加大对农村供水工程的投入，特别是争取财政资金对前期工作经费的支持。

3.2 显示子系统

图3 PC端界面程序示意图

界面程序是基于MFC编程，来实现对系统中移动物体小车的实时跟踪和控制，如图3所示，界面上始终显示信标节点的位置和移动物体小车所在的位置，当移动物体小车在系统中移动时，界面上会实时更新小车的位置信息，并且支持对小车图标的拖拽，从而输入小车的目标位置信息，一旦对小车输入目标位置信息后，界面程序会将小车的当前位置信息和目标位置信息，一起打包发送给网关节点，实现定位子系统和显示子系统的数据互通。

若小车到目标位置的路径上，有障碍物干扰，则小车会沿理论路线行驶至障碍物前5cm到10cm，然后进入避障算法，躲避障碍物并最终行驶至目标位置。

3.3 移动物体的控制与避障系统

本系统中的移动物体用智能小车来替代，智能小车上搭载了STC89C52RC芯片，红外传感器，RS232模块，射频收发模块，并负责计算小车的运动路径。

3.3.1 移动物体的控制算法设计

目前，对于移动物体小车控制算法有很多，大致可以分为3大类：PID算法，计算力矩方法，自适应控制法。

图4 小车IO口定义图

如图4所示，要使小车全速前进，小车全速后退，小车左转，小车右转，P1.0~P1.7管脚依次应为：01010101，10101010， 10100101，01011010。

小车上搭载的射频收发模块，将接收到的小车当前坐标和目标位置坐标发送给小车，小车计算出最短直线路径，并行驶到目标位置，小车理论行驶轨迹算法如下图5所示。

图5 小车理论行驶轨迹示意图

如图5所示，小车初始位置，当小车接收到目标位置坐标时，小车会先向当前方向前进，判断车头朝向，移动后小车位置。

每一次小车接收到新的目标位置信息时，都要先判断车头的方向和目标位置在车头的哪一边，从而确定小车应该左转还是右转。

首先，若y2-y1<0，则需要调整车头方向，之后等待重新接收目标位置信息，待接收后，小车开始计算相关参数，步骤如下：

当y2-y1>=0，且n>=q时，向右转，当y2-y1>=0，且n

当y2-y1<0，且n>=q时，向左转，当y2-y1<0，且n

经实验计算小车全速前进的速度，小车从起点行驶到目标点的距离，需要的时间，最后实现小车从起点最终到达目标位置。

3.3.2 移动物体的避障程序设计

针对红外避障局限性略高，范围较小等情况，为了提高检测的准确性本设计中加入了四分红外探头用于避障，分别是小车的正面两个（前左前右），侧面左右各一个。

红外避障的程序流程（图6）为检测管脚是否为低电平，中断优先级为高级，即外部中断，若前端1个管脚为低电平则向高电平端拐30度，若前端2个管脚为低电平则进向右拐90度，若3个管脚为低电平则向高电平端拐30度，若4个管脚都为低电平则先倒车然后向右拐90度。

图6 红外避障的程序流程图

本系统中，小车采用漫反射式光电开关进行避障。光电开关实际发射头与接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被物体反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物。

4 系统实验及分析

本章对室内移动物体的定位与跟踪系统进行实验与分析。首先对移动物体的运动轨迹进行实验测试，分析理论轨迹和实际轨迹的误差，最后对系统避障程序进行实验测试，并分析结果，得出结论。

4.1 系统实验及分析

移动物体的运动轨迹是否精确是系统效率高低的基础。分别给定10个目标位置坐标A，B，C，D，E，使移动物体小车在随机的初始位置向目标位置行驶，分别记下小车每次实际到达的目标位置坐标A′，B′，C′，D′，E′，计算AA′~EE′的距离Δd(cm)，因此，绝对误差为Δdx。再对所有的绝对误差求平均值，得到平均误差ε。如表1所示，随着距离的增加，测量误差始终稳定在3.2cm以内。最后计算得到平均误差ε=2.418cm。

表1 移动物体的运动轨迹实验结果

5 结论及展望

室内定位是一个很大的领域，本文利用超声波技术做了一些研究工作，仍有许多工作需要继续完成，例如如何扩大定位系统的覆盖范围，如何进一步的提高定位系统的定位速度及准确度，如何将超声室内定位技术与室外定位技术融合，实现无缝对接等。小车控制算法也是一个很大的新兴领域，例如如何扩大小车控制范围，如何提高小车控制算法精度等。

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