基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板

引言

室內(nèi)定位系統(tǒng)(Indoor Positioning System，IPS)是普適計(jì)算中的重要內(nèi)容。隨著智能終端的普及、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來臨，復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位與導(dǎo)航的需求日益增大，同時(shí)，IPS在公共安全、移動(dòng)電子商務(wù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。目前，IPS采用的定位技術(shù)主要包括RFID、Bluetooth、WiFi、UWB、ZigBee、光學(xué)、超聲波、紅外線、地磁場等。采用單一定位技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)都存在一定的缺陷，如負(fù)擔(dān)性強(qiáng)、擴(kuò)展性和魯棒性差、定位精度低、響應(yīng)時(shí)間長等。因此，多種定位技術(shù)融合是IPS的一個(gè)發(fā)展方向。

壓力傳感觸控技術(shù)(Force Based Touch Sereen Technology)zTouch來自于美國F—Origin公司。該技術(shù)的原理是在剛性面板的四周角落處設(shè)置多個(gè)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(diǎn)傳感器受力不同進(jìn)行定位。該技術(shù)具有環(huán)境魯棒性好、持久性強(qiáng)、無負(fù)擔(dān)性以及三維信息感知、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于IPS可彌補(bǔ)其他定位技術(shù)的不足。目前，國外有多家機(jī)構(gòu)正在研究基于該技術(shù)的定位系統(tǒng)，如英國蘭卡斯特大學(xué)的Weight Lab、英國謝菲爾德哈勒姆大學(xué)和德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Smart Floor等。

本文基于壓力傳感觸控技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能地板，并采用該地板構(gòu)建了一小型定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用16個(gè)壓力傳感器和4塊地板構(gòu)建定位平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)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(shù)的基本單元由1塊剛性面板和4個(gè)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(diǎn)結(jié)構(gòu)。四支點(diǎn)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(gè)壓力傳感器。在P平面的二維坐標(biāo)系中，記Si與P平面的接觸點(diǎn)(或接觸面的中心點(diǎn))的坐標(biāo)為(xi，yi)，4個(gè)接觸點(diǎn)構(gòu)成的矩形區(qū)域(虛線框內(nèi))稱為定位區(qū)D。在D中任一點(diǎn)(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(diǎn)平面物體重心位置計(jì)算公式，式(1)～(3)成立。

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

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)本研究的實(shí)驗(yàn)條件，構(gòu)建了一個(gè)針對(duì)小車的定位演示系統(tǒng)。系統(tǒng)由定位平臺(tái)、定位對(duì)象(小車)、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)、Android監(jiān)視終端組成。當(dāng)定位對(duì)象在定位平臺(tái)上靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過分析傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算出其在物理空間中的絕對(duì)位置坐標(biāo)(X，Y)，該位置屬性經(jīng)過映射，反映在上位機(jī)位置管理服務(wù)器(LabVIEW軟件)的虛擬地圖中。位置管理服務(wù)器可以構(gòu)建虛擬場景，并可為移動(dòng)終端提供位置查詢和導(dǎo)航的服務(wù)。定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

本系統(tǒng)采用USB-6259(BNC)采集定位平臺(tái)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(gè)模塊：

①定位顯示模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)端的LabVIEW平臺(tái)下，實(shí)時(shí)顯示小車在定位平臺(tái)的絕對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)路徑。

②運(yùn)動(dòng)控制模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過LabVIEW程序控制小車的運(yùn)動(dòng)，通過藍(lán)牙傳送控制指令，達(dá)到非接觸移動(dòng)小車的目的，同時(shí)防止接觸方式產(chǎn)生的側(cè)向力對(duì)定位精度的影響。

③遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過Android手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視小車的位置，PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)向遠(yuǎn)程終端廣播小車的位置信息。

2.2 定位平臺(tái)的設(shè)置

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

為確保定位的準(zhǔn)確，定位平臺(tái)需要調(diào)平。當(dāng)定位平臺(tái)不平時(shí)，即當(dāng)傳感器高度不一致，在圖1所示的四支點(diǎn)定位模型中可能會(huì)有1或2個(gè)支點(diǎn)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(diǎn)平臺(tái)力的分布，從而不能應(yīng)用四支點(diǎn)公式求重心位置。周祖濂通過數(shù)學(xué)模型證明了在四支點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的四個(gè)支點(diǎn)能夠同時(shí)受力，即“虛腿”現(xiàn)象可以通過調(diào)平來避免。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)采用NI公司推出的LabVIEW 2013。設(shè)計(jì)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(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波和計(jì)算，輸出為定位平臺(tái)上物體重心的位置。位置顯示方式包括文本坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊是通過在PC機(jī)和小車間建立藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)的。不具備藍(lán)牙功能的PC機(jī)可通過藍(lán)牙適配器和BlueSoleil軟件實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能，小車端通過UART接口連接一藍(lán)牙透傳模塊，此時(shí)，PC機(jī)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(shí)現(xiàn)向小車發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。本模塊可完成對(duì)小車的速度控制以及前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊中，PC機(jī)為位置管理服務(wù)器，Android終端為客戶機(jī)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分布式Publisher-Subscriber模式，PC機(jī)為所有注冊(cè)的Android終端提供位置查詢服務(wù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊采用了跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信插件SCCT。SCCT(Smart PhoneCross-Plat-form Communication Toolkit，智能手機(jī)跨平臺(tái)通信包)是由T4SM(Tools for Smart Minds Software Solutions)公司研發(fā)的、支持多種平臺(tái)和編程語言的開發(fā)包，用于多種平臺(tái)與LabVIEW平臺(tái)之間進(jìn)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(shí)現(xiàn)驗(yàn)證請(qǐng)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(dòng)狀態(tài)的訂閱者以及接收訂閱者請(qǐng)求的功能，Android端采用SCCT Subscriber Library提供的API實(shí)現(xiàn)發(fā)送請(qǐng)求至發(fā)布者、接收數(shù)據(jù)并提交至界面進(jìn)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(gòu)如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

系統(tǒng)測試場景如圖7所示。

Android手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)視界面如圖8所示。

經(jīng)測試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的定位顯示、運(yùn)動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能。

在定位精度的測試中，在平臺(tái)上畫有位置參照網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為1 cm。在定位平臺(tái)上隨機(jī)選取10個(gè)測試點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)處施加壓力，測量6次，記錄軟件計(jì)算出的坐標(biāo)，并與實(shí)際網(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)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(shè)在物理平臺(tái)上測試點(diǎn)的網(wǎng)格坐標(biāo)取值范圍為X∈[a，b]，Y∈[c，d](a、b、c、d為非負(fù)整數(shù)，b-a=d-c=1，單位為cm)通過軟件求得的坐標(biāo)為(x，y)，定義偏差Xp、Yp：

式中，MAX()為最大值;Pi為第i個(gè)測試點(diǎn)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(duì)誤差在2 cm內(nèi)。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(duì)誤差也在2 cm內(nèi)。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種智能地板，并基于該地板構(gòu)建了一個(gè)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過PC機(jī)LabVIEW軟件和Android手機(jī)軟件查看智能地板上物體位置和運(yùn)動(dòng)路徑信息的功能。本定位系統(tǒng)最大定位絕對(duì)誤差在2 cm內(nèi)，且具有環(huán)境魯棒性好、無負(fù)擔(dān)性等優(yōu)點(diǎn)，與其他定位技術(shù)結(jié)合，可彌補(bǔ)現(xiàn)有室內(nèi)定位系統(tǒng)的不足。此外，本智能地板還可用于重點(diǎn)區(qū)域安防、隱私保護(hù)下的監(jiān)控等場合。