梁偉新　滿紅　凌榮波　梁鈺成

摘 要 室內(nèi)無地圖導(dǎo)航系統(tǒng)是基于ARM嵌入式微處理器平臺開發(fā)的新型導(dǎo)航系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要采用主從結(jié)構(gòu)的分布式處理方式，利用攝像頭采集室內(nèi)的圖像送到微處理器中進(jìn)行圖像合成，比較輸出后利用WIFI網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到移動終端，移動終端設(shè)備根據(jù)實際情況為使用者配置合理的定位路線；移動機(jī)器人在接收到移動終端設(shè)備發(fā)來的路線信息后會主動引領(lǐng)使用者到達(dá)指定位置。該系統(tǒng)主要適合于大型博物館、商場、寫字樓等大型建筑的導(dǎo)航，在方便人們生活、提高效率等方面具有重要的意義。

關(guān)鍵詞 室內(nèi)導(dǎo)航 移動機(jī)器人 主從結(jié)構(gòu) WIFI網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.017

Abstract Indoor non map navigation system is a new navigation system based on ARM embedded microprocessor platform. This system mainly adopts the distributed processing mode of master-slave structure， sent to the microprocessor for image synthesis using image acquisition camera interior， after comparing the output using the WIFI network to send information to the mobile terminal， the mobile terminal equipment according to the actual situation for the reasonable allocation of user location routing； mobile robot to the mobile terminal device to route information will take the initiative to lead the user to the specified location in the receiving. The system is mainly suitable for large-scale museums， shopping malls， office buildings and other large buildings navigation， in order to facilitate people's lives， improve efficiency and other aspects of great significance.

Keywords indoor navigation； mobile robot； master-slave structure； WIFI； network

在生活節(jié)奏不斷加快的時代，人們希望做任何事都盡可能地節(jié)省時間。因此，不管在家或是在外面，人們總想有助手幫忙處理更多的事情，室內(nèi)無地圖導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計就是在這種需求下應(yīng)運而生。利用室內(nèi)無地圖導(dǎo)航系統(tǒng)可大大減少人們在陌生的室內(nèi)建筑中尋找位置所浪費的時間。另外，基于此技術(shù)還可開發(fā)出更智能的機(jī)器人，為人們解決生活上的問題。

室內(nèi)無地圖導(dǎo)航系統(tǒng)主要由圖像采集定位系統(tǒng)、導(dǎo)航機(jī)器人、移動終端設(shè)備等部分組成。攝像頭負(fù)責(zé)采集室內(nèi)的圖像送給微處理器進(jìn)行圖像合成；移動機(jī)器人負(fù)責(zé)具體的引領(lǐng)和導(dǎo)航功能；移動終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)接收、顯示室內(nèi)合成后的圖像以及為使用者選擇具體的定位地點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在硬件方面，主要采用主從結(jié)構(gòu)的分布式處理方式，根據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能需求，采用ARM嵌入式微處理器作為處理平臺的核心，協(xié)調(diào)控制各個子模塊系統(tǒng)。子模塊主要由圖像采集定位、導(dǎo)航機(jī)器人、移動終端設(shè)備等部分組成。[1]而上位機(jī)負(fù)責(zé)小數(shù)據(jù)融合、分配任務(wù)指令和協(xié)調(diào)各子模塊等工作，具有一定的可靠性和實時性。這種可高效運行的嵌入式設(shè)計結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在軟件部分，采用了先進(jìn)的圖像處理技術(shù)和各種算法融合方式，通過不斷的學(xué)習(xí)，增加了機(jī)器人的適應(yīng)性，使其在完全未知的環(huán)境下能夠順利工作。利用攝像頭將周圍圖像采集回來后，先進(jìn)行去噪處理。如果對運動物體進(jìn)行定位，則利用兩幀之差得到圖像中運動物體的數(shù)據(jù)并利用質(zhì)心法得出該點中心發(fā)送給總處理器；如果對特定的運動物體進(jìn)行追蹤，則利用粒子群濾波算法對其進(jìn)行定位追蹤并返回坐標(biāo)；如果對固定物體進(jìn)行定位，則是直接將該物體坐標(biāo)返回給處理器。其軟件實現(xiàn)方案如圖2所示。

2 導(dǎo)航機(jī)器人模塊設(shè)計

2.1 導(dǎo)航機(jī)器人工作原理

本系統(tǒng)的導(dǎo)航機(jī)器人主要使用輪形機(jī)器人，因為輪形機(jī)器人比人形機(jī)器人在移動方面上更有優(yōu)勢。導(dǎo)航機(jī)器人在空閑狀態(tài)下會處于待機(jī)模式以減少電能的消耗。導(dǎo)航機(jī)器人與移動終端設(shè)備之間的通訊主要通過WIFI來完成。[2]當(dāng)導(dǎo)航機(jī)器人接收到移動終端設(shè)備發(fā)來的坐標(biāo)地址后，導(dǎo)航機(jī)器人開始啟動，引導(dǎo)使用者到達(dá)指定位置。在移動過程中，導(dǎo)航機(jī)器人通過超聲波進(jìn)行避障。當(dāng)導(dǎo)航完成后，導(dǎo)航機(jī)器人會尋找附近的停泊點停靠并重新進(jìn)入待機(jī)模式等待下次的使用。另外，導(dǎo)航機(jī)器人會在每次使用后檢測自身的電量，當(dāng)自身電量過低時，導(dǎo)航機(jī)器人會在停泊點處進(jìn)行自動充電。

2.2 導(dǎo)航機(jī)器人設(shè)計

導(dǎo)航機(jī)器人采用輪形機(jī)器人的主控電路部分采用STM32作為控制的微處理器，在STM32外圍搭建導(dǎo)航機(jī)器人前輪舵機(jī)控制電路、穩(wěn)壓電路、避障電路、電量檢測電路、充電電路以及WiFi、藍(lán)牙等通訊電路。

導(dǎo)航機(jī)器人的移動和轉(zhuǎn)向主要由H橋驅(qū)動電路和舵機(jī)控制電路實現(xiàn)，驅(qū)動電路每個H橋由兩塊半橋芯片BTN7971組成，[3]再在外圍添加適當(dāng)?shù)碾娙?、電阻組成完整的橋式驅(qū)動電路。電量檢測電路主要是檢測電池電壓，利用電阻串聯(lián)分壓原理，在分壓電阻上采集信號送到放大器中進(jìn)行比較放大，得到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換后在數(shù)碼管中顯示；同時STM32也會讀取轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)值與設(shè)定的閥值進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀陂y值電壓時，控制導(dǎo)航機(jī)器人進(jìn)行充電狀態(tài)。endprint

收發(fā)數(shù)據(jù)方面，主控電路中的STM32通過WIFI通訊電路接收移動終端設(shè)備發(fā)來的定位坐標(biāo)，主控電路中的WIFI設(shè)備IP地址設(shè)為固定的IP地址，以便與移動終端設(shè)備進(jìn)行定向通訊。為適應(yīng)各個設(shè)備的使用，穩(wěn)壓電路中進(jìn)行了3.3V和5V的穩(wěn)壓，分別采用了AMS1117和LM2940兩種穩(wěn)壓芯片。

在避障方面，為了完成機(jī)器人在自主移動過程中的自主避障功能，移動機(jī)器人需要實時、主動探測與障礙物之間的距離，以免碰撞。為了解決單一傳感器所產(chǎn)生的方向性差等問題，本文采用多超聲傳感器和多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行測距。

為了在復(fù)雜、未知的移動環(huán)境中預(yù)測出障礙物的位置，采用具有很強容錯性和魯棒性的模糊控制算法，建立障礙物的位置和方向的模糊關(guān)系，并規(guī)劃機(jī)器人的正確路徑。[4，5]為了補償溫度對超聲波速度的影響，采用DS18B20測溫器件對外界環(huán)境中的溫度進(jìn)行感知，實現(xiàn)測距的精確性和實時性。[6，7，8]超聲波傳感器的避障模塊設(shè)計方案如圖3所示。

3 導(dǎo)航與定位技術(shù)

本系統(tǒng)的移動終端設(shè)備的可選擇范圍比較廣，手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦都可以作為本導(dǎo)航系統(tǒng)的移動終端設(shè)備。當(dāng)使用者手持移動終端設(shè)備來到室內(nèi)建筑時，移動終端設(shè)備可通過無線網(wǎng)卡連接到大樓內(nèi)部的WIFI。連接WIFI后，移動終端設(shè)備會接收到建筑內(nèi)部的圖像，使用者在移動終端設(shè)備上選擇要到達(dá)的地方后，移動終端設(shè)備就會發(fā)送一個具體的坐標(biāo)地址給附近的導(dǎo)航機(jī)器人。[9]使用者在導(dǎo)航機(jī)器人引領(lǐng)下就能到達(dá)目的地。移動終端的整個收發(fā)數(shù)據(jù)過程都是由WIFI來完成。

3.1 圖像采集處理

為提高圖像的質(zhì)量和定位的準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)采用的攝像頭是普通的ov7725攝像頭，而整體實物將采用監(jiān)控紅外攝像頭，處理的算法基本有高斯模糊、傅里葉變換去噪、otus動態(tài)二值化、兩幀差、粒子群濾波追蹤等。圖像處理軟件流程如圖4所示。

3.2 移動終端設(shè)計

移動終端設(shè)備主要用來進(jìn)行人機(jī)交互，為使用者提供可操作界面。利用移動終端設(shè)備接收系統(tǒng)的導(dǎo)航圖像并在移動終端上顯示，就需要開發(fā)移動終端上的應(yīng)用程序。移動終端上的應(yīng)用程序與移動設(shè)備的類型有關(guān)。根據(jù)不同的操作系統(tǒng)，制作相應(yīng)的應(yīng)用程序或通過網(wǎng)絡(luò)下載完善的應(yīng)用程序源碼再通過加以修改。為適應(yīng)大部分人群的使用，選擇以安卓系統(tǒng)為開發(fā)平臺，利用Eclipse開發(fā)軟件對應(yīng)用程序進(jìn)行制作或修改。把制作好的應(yīng)用程序下載到移動終端設(shè)備上后，打開應(yīng)用程序就會提示使用者連接到指定WIFI。當(dāng)連接成功后，應(yīng)用程序的主界面就會顯示建筑內(nèi)各處的圖像，主界面上的圖像可通過移動設(shè)備的觸摸屏進(jìn)行觸點。

4 結(jié)束語

室內(nèi)無地圖導(dǎo)航系統(tǒng)是集視覺跟蹤和嵌入式系統(tǒng)為一體的自主機(jī)器人，該機(jī)器人具有低功耗、低成本、獨立性強、方便維護(hù)、靈活易控的優(yōu)點，可以實現(xiàn)導(dǎo)航定位、自主避障、無線通信等功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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