基于壓力傳感觸控技術的室內定位地板

引言

室內定位系統(tǒng)(Indoor Positioning System，IPS)是普適計算中的重要內容。隨著智能終端的普及、移動互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，復雜室內環(huán)境下的定位與導航的需求日益增大，同時，IPS在公共安全、移動電子商務等領域都有著廣泛的應用。目前，IPS采用的定位技術主要包括RFID、Bluetooth、WiFi、UWB、ZigBee、光學、超聲波、紅外線、地磁場等。采用單一定位技術的室內定位系統(tǒng)都存在一定的缺陷，如負擔性強、擴展性和魯棒性差、定位精度低、響應時間長等。因此，多種定位技術融合是IPS的一個發(fā)展方向。

壓力傳感觸控技術(Force Based Touch Sereen Technology)zTouch來自于美國F—Origin公司。該技術的原理是在剛性面板的四周角落處設置多個壓力傳感器，通過傳感器感知用戶在面板上觸摸或做手勢產(chǎn)生的垂直于面板的壓力，根據(jù)各點傳感器受力不同進行定位。該技術具有環(huán)境魯棒性好、持久性強、無負擔性以及三維信息感知、定位精度高等優(yōu)點，應用于IPS可彌補其他定位技術的不足。目前，國外有多家機構正在研究基于該技術的定位系統(tǒng)，如英國蘭卡斯特大學的Weight Lab、英國謝菲爾德哈勒姆大學和德國亞琛工業(yè)大學的Smart Floor等。

本文基于壓力傳感觸控技術設計了一種智能地板，并采用該地板構建了一小型定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用16個壓力傳感器和4塊地板構建定位平臺，實現(xiàn)對平臺上運動小車的定位和路徑顯示，并能通過LabVIEW軟件和Android終端查看小車位置信息。

1 定位原理

壓力傳感觸控定位技術的基本單元由1塊剛性面板和4個壓力傳感器組成，壓力傳感器分布于剛性面板的四角處，形成一四支點結構。四支點定位模型如圖1所示。

在圖1所示的模型中，Si(i=1，2，3，4)表示第i個壓力傳感器。在P平面的二維坐標系中，記Si與P平面的接觸點(或接觸面的中心點)的坐標為(xi，yi)，4個接觸點構成的矩形區(qū)域(虛線框內)稱為定位區(qū)D。在D中任一點(x，y)處施加一垂直于P平面的力F，令Fi表示Si受到的F的分壓力，根據(jù)四支點平面物體重心位置計算公式，式(1)～(3)成立。

根據(jù)式(1)～(3)，可計算出力F的位置，從而實現(xiàn)定位。

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 系統(tǒng)設計

根據(jù)本研究的實驗條件，構建了一個針對小車的定位演示系統(tǒng)。系統(tǒng)由定位平臺、定位對象(小車)、數(shù)據(jù)采集卡、PC機、Android監(jiān)視終端組成。當定位對象在定位平臺上靜止或運動時，通過分析傳感器的數(shù)據(jù)計算出其在物理空間中的絕對位置坐標(X，Y)，該位置屬性經(jīng)過映射，反映在上位機位置管理服務器(LabVIEW軟件)的虛擬地圖中。位置管理服務器可以構建虛擬場景，并可為移動終端提供位置查詢和導航的服務。定位系統(tǒng)構成如圖2所示。

本系統(tǒng)采用USB-6259(BNC)采集定位平臺傳感器的數(shù)據(jù)。USB-6259(BNC)是美國NI公司生產(chǎn)的一款高速、多功能M系列的數(shù)據(jù)采集卡，提供有16路模擬輸入通道，其最高采樣率為1.25 Ms/s，采樣精度為16位，滿足系統(tǒng)要求。

定位系統(tǒng)可分為3個模塊：

①定位顯示模塊。該模塊實現(xiàn)在PC機端的LabVIEW平臺下，實時顯示小車在定位平臺的絕對位置及運動路徑。

②運動控制模塊。該模塊實現(xiàn)通過LabVIEW程序控制小車的運動，通過藍牙傳送控制指令，達到非接觸移動小車的目的，同時防止接觸方式產(chǎn)生的側向力對定位精度的影響。

③遠程監(jiān)視模塊。該模塊實現(xiàn)通過Android手機遠程監(jiān)視小車的位置，PC機通過互聯(lián)網(wǎng)向遠程終端廣播小車的位置信息。

2.2 定位平臺的設置

定位平臺由16個傳感器和4塊玻璃板組成，總面積為70×70 cm2，分為4個單元。傳感器采用輪輻式壓力傳感器(型號為BK-4)。傳感器自身集成有電橋，對外有4條引線，分別為電源Vbg、GND、信號+和信號-。由于傳感器輸出的信號微弱(μV～mV級)，因此需要對信號進行放大。本系統(tǒng)采用的放大器為AD623。

為確保定位的準確，定位平臺需要調平。當定位平臺不平時，即當傳感器高度不一致，在圖1所示的四支點定位模型中可能會有1或2個支點處于不受力的懸空狀態(tài)，即“虛腿”現(xiàn)象。“虛腿”現(xiàn)象將改變四支點平臺力的分布，從而不能應用四支點公式求重心位置。周祖濂通過數(shù)學模型證明了在四支點結構中的四個支點能夠同時受力，即“虛腿”現(xiàn)象可以通過調平來避免。

四支點平臺的簡單調平通常采用向最高支撐靠攏的方法，即通過墊片調節(jié)4個支點中高度較低的3個，使其與最高支點高度一致從而調平臺面。本系統(tǒng)通過在傳感器下墊紙片的方法調平定位平臺。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)上位機開發(fā)平臺采用NI公司推出的LabVIEW 2013。設計的軟件界面如圖3所示。

3.1 定位顯示模塊

定位顯示模塊的輸入為16個壓力傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波和計算，輸出為定位平臺上物體重心的位置。位置顯示方式包括文本坐標和二維圖片，路徑顯示方式為XY圖。定位顯示流程如圖4所示。

3.2 運動控制模塊

運動控制模塊是通過在PC機和小車間建立藍牙通信實現(xiàn)的。不具備藍牙功能的PC機可通過藍牙適配器和BlueSoleil軟件實現(xiàn)藍牙功能，小車端通過UART接口連接一藍牙透傳模塊，此時，PC機端和小車端建立了虛擬串口連接，LabVIEW端通過VISA串口通信編程實現(xiàn)向小車發(fā)送運動指令。本模塊可完成對小車的速度控制以及前進、后退、左轉、右轉、停止5種運動狀態(tài)控制。

3.3 遠程監(jiān)視模塊

遠程監(jiān)視模塊中，PC機為位置管理服務器，Android終端為客戶機，網(wǎng)絡架構采用分布式Publisher-Subscriber模式，PC機為所有注冊的Android終端提供位置查詢服務。

遠程監(jiān)視模塊采用了跨平臺網(wǎng)絡通信插件SCCT。SCCT(Smart PhoneCross-Plat-form Communication Toolkit，智能手機跨平臺通信包)是由T4SM(Tools for Smart Minds Software Solutions)公司研發(fā)的、支持多種平臺和編程語言的開發(fā)包，用于多種平臺與LabVIEW平臺之間進行數(shù)據(jù)通信。SCCT支持的操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、iOS、Android、Phone7，支持的編程語言包括LabVIEW、Java、C、Object C、.NET和Javascript(HTML5)。本系統(tǒng)中，LabVIEW端采用SCCTPublisher Library提供的VI實現(xiàn)驗證請求連接的訂閱者身份、檢查連接狀態(tài)、廣播數(shù)據(jù)至所有活動狀態(tài)的訂閱者以及接收訂閱者請求的功能，Android端采用SCCT Subscriber Library提供的API實現(xiàn)發(fā)送請求至發(fā)布者、接收數(shù)據(jù)并提交至界面進行顯示等功能。

LabVIEW端信息發(fā)布程序框圖如圖5所示。Android端的軟件架構如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試與結果分析

系統(tǒng)測試場景如圖7所示。

Android手機端遠程監(jiān)視界面如圖8所示。

經(jīng)測試，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對小車的定位顯示、運動控制和遠程監(jiān)視的功能。

在定位精度的測試中，在平臺上畫有位置參照網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為1 cm。在定位平臺上隨機選取10個測試點，在每個點處施加壓力，測量6次，記錄軟件計算出的坐標，并與實際網(wǎng)格坐標進行比較。在數(shù)據(jù)分析過程中，定義以下概念：

①偏差Xp、Yp。假設在物理平臺上測試點的網(wǎng)格坐標取值范圍為X∈[a，b]，Y∈[c，d](a、b、c、d為非負整數(shù)，b-a=d-c=1，單位為cm)通過軟件求得的坐標為(x，y)，定義偏差Xp、Yp：

式中，MAX()為最大值;Pi為第i個測試點的定位偏差(cm)。

經(jīng)測試，P=0.6 cm，D=1.8 cm。因此，單塊智能地板的定位絕對誤差在2 cm內。在智能地板特性不變的前提下，由多塊智能地板拼成的更大面積定位空間的定位絕對誤差也在2 cm內。

結語

本文設計了一種智能地板，并基于該地板構建了一個定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過PC機LabVIEW軟件和Android手機軟件查看智能地板上物體位置和運動路徑信息的功能。本定位系統(tǒng)最大定位絕對誤差在2 cm內，且具有環(huán)境魯棒性好、無負擔性等優(yōu)點，與其他定位技術結合，可彌補現(xiàn)有室內定位系統(tǒng)的不足。此外，本智能地板還可用于重點區(qū)域安防、隱私保護下的監(jiān)控等場合。