用于超級(jí)黑板的可抗震型光電定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章佳輝,郭華亮,徐志宇,趙明巖

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海 201804；2.博洛尼亞大學(xué)電氣電子與信息工程學(xué)院，博洛尼亞 40136；3.華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200237；4.中國計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

用于超級(jí)黑板的可抗震型光電定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章佳輝1,2,郭華亮3,徐志宇1,趙明巖4

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海 201804；2.博洛尼亞大學(xué)電氣電子與信息工程學(xué)院，博洛尼亞 40136；3.華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200237；4.中國計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

針對(duì)“超級(jí)黑板”應(yīng)用中的定位要求，開發(fā)了一種可抗震型光電定位系統(tǒng)。采用STM32F103單片機(jī)作為主控芯片，選用光敏電阻檢測光線，設(shè)計(jì)了矩陣鍵盤式電路以節(jié)約I/O口資源、縮短定位時(shí)間；芯片與電路的配合使系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)輸出數(shù)字位置信號(hào)的能力。通過卡槽結(jié)構(gòu)和激光頭的安裝，使該系統(tǒng)適用于以下工況：首先，測量范圍較大，且要求在測量范圍內(nèi)無盲區(qū)(整個(gè)被測范圍內(nèi)保持一定的精度)；其次，測量空間狹小且存在一定的震動(dòng)。樣機(jī)的實(shí)測結(jié)果顯示，當(dāng)測量范圍為2 m時(shí)，系統(tǒng)測得的位置誤差小于±0.5 cm，即精度可達(dá) 0.25%。

超級(jí)黑板； 抗震； 光電定位； STM32； 傳感器； 矩陣鍵盤； 掃描讀取

0 引言

黑板是傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的一種重要教學(xué)演示工具。隨著多媒體技術(shù)的引入，黑板與多媒體投影配合使用時(shí)出現(xiàn)了新問題：①黑板的有效書寫面積因?yàn)橥队澳坏恼谏w而減??；②投影幕所在的位置使教室一側(cè)的同學(xué)因?yàn)榉垂舛鵁o法看清投影內(nèi)容。為此，文獻(xiàn)[1]將投影幕與黑板緊密結(jié)合，提出了一種教學(xué)用板書投影裝置，簡稱“超級(jí)黑板”。其基本工作原理如下。將傳統(tǒng)的黑板改成同步帶和磨砂玻璃的組合，其中磨砂玻璃(透明)置于同步帶前，用于書寫粉筆字。同步帶分為白色投影區(qū)域和深色黑板背景區(qū)域，當(dāng)后方為深色黑板投影區(qū)域時(shí)粉筆字才能被看清。白色投影區(qū)域處于同步帶中的一個(gè)固定位置，通過同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變白色投影區(qū)域相對(duì)毛玻璃的位置，且投影儀跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，使投影內(nèi)容實(shí)時(shí)投影在白色投影區(qū)域上；白色投影區(qū)域可以轉(zhuǎn)到同步帶背側(cè)，使整個(gè)黑板面全是深色黑板背景區(qū)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

為確保投影儀跟隨白色投影區(qū)域平穩(wěn)同步移動(dòng)，關(guān)鍵要解決白色投影區(qū)域的精確定位問題。白色投影位置的定位需要在同步帶的狹小空間內(nèi)完成，并在測量范圍(黑板的長度)內(nèi)保持一定的精度；同時(shí)，定位過程還存在震動(dòng)的干擾。

現(xiàn)階段的定位傳感技術(shù)廣泛采用測距定位的方式。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測距、感光耦合元件(charge coupled device,CCD)測距、紅外測距、激光測距等[2]。其中，超聲波測距時(shí)傳播波速不恒定，回波信號(hào)幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，且可能存在盲區(qū)；因測量距離較長需要多個(gè)超聲波時(shí)，容易產(chǎn)生串?dāng)_的問題[2-3]。此外，紅外測距儀在應(yīng)用環(huán)境中也受局限。和大多數(shù)紅外測距儀一樣，SHARP公司的GP2Y0A02YK0紅外距離傳感器，測量范圍為200～1 500 mm[4]，其應(yīng)用局限于短距離的測量定位?，F(xiàn)階段的高精度定位方式有：利用掃頻試驗(yàn)和建模進(jìn)行微定位、運(yùn)用飛秒光頻梳頻域干涉的絕對(duì)測距方法等，均局限于小范圍測距，且不能在震動(dòng)環(huán)境下完成測量工作[5-6]。

以上測距定位方法對(duì)于上述“超級(jí)黑板”的環(huán)境均不適用。如今用于測距定位的儀器或者系統(tǒng)，有的要求在一定的使用范圍內(nèi)，超出范圍誤差會(huì)明顯增大；有的則必須通過曲線擬合來得到相對(duì)準(zhǔn)確的距離值[3-8]。文獻(xiàn)[9]中石油井的井徑測量，通過設(shè)計(jì)閾值迭代超聲波測距系統(tǒng)提高精度；文獻(xiàn)[10]提出了采用新的光纖材料來測量絕對(duì)距離，但均是在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下測量一個(gè)限定范圍內(nèi)的距離值[9-10]，尚未能得到一個(gè)適用于上述“超級(jí)黑板”應(yīng)用情境的定位方案。為此，本文針對(duì)“超級(jí)黑板”的特殊應(yīng)用需求，基于光電傳感原理，設(shè)計(jì)了一種可抗震型光電定位系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種用于“超級(jí)黑板”的可抗震型光電定位系統(tǒng)。系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，硬件主要包括基于光敏電阻和激光頭的傳感模塊、矩陣鍵盤式電路、STM32F103微控制器以及激光頭卡槽；軟件主要指運(yùn)行在STM32F103微控制器的程序，主要負(fù)責(zé)位置信號(hào)掃描讀取、位置信號(hào)換算及數(shù)字信號(hào)輸出。硬件的搭建是為了克服震動(dòng)環(huán)境的干擾，使系統(tǒng)在長距離測量的情況下保持一定的精度，以及給軟件處理提供必要的前提。其中，傳感器的安裝包括光敏電阻的排布和激光頭的安裝，所搭建的矩陣鍵盤式電路可節(jié)約I/O口資源，并且通過與微處理器的配合縮短定位時(shí)間，提高效率。軟件設(shè)計(jì)主要是基于矩陣鍵盤式電路的掃描函數(shù)，并且通過分析從I/O口獲得的信號(hào)來換算出相應(yīng)的位置信息，換算后用數(shù)字信號(hào)輸出?？煽拐鹦凸怆姸ㄎ幌到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件選擇

傳感器選擇光敏電阻和激光頭。光敏電阻在特定波長的光照射下，其阻值會(huì)迅速減小，故選取暗電阻較大、亮電阻較小的MG45-22的光敏電阻和5 V驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)狀激光頭。激光具有發(fā)散角小、時(shí)間快、性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于位移測量、定位系統(tǒng)中[11]。

選擇STM32F103作為系統(tǒng)的微控制器。它是32位的ARM微控制器，具有Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率達(dá)到72 MHz，使系統(tǒng)滿足低成本、高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性等要求[12]。

3.2 傳感器安裝

在物體的運(yùn)動(dòng)軌跡處依次排布光敏電阻，相鄰光敏電阻用不透光的隔板阻隔，光敏電阻的寬度為0.5 cm；根據(jù)總長度將光敏電阻分為n組，每一組具有相同數(shù)量(m個(gè))的光敏電阻；對(duì)光敏電阻分別標(biāo)號(hào)，從左向右依次標(biāo)注RL,1、RL,2、…、RL,nm(nm即為光敏電阻的數(shù)量)。單個(gè)光敏電阻安裝示意圖如圖2所示。

圖2 單個(gè)光敏電阻安裝示意圖

圖2中：光敏電阻一端上拉一個(gè)電阻，光敏電阻和上拉電阻之間引出一點(diǎn)連接到微控制器的I/O口；光敏電阻的另一端引出一個(gè)點(diǎn)連接到微控制器的I/O口。

系統(tǒng)整體安裝示意圖如圖3所示。將排布好的光敏電阻放置于一個(gè)密封的盒子中，其一側(cè)留出一個(gè)卡槽放置激光頭，使激光頭不會(huì)脫落且存在一定的空間允許震動(dòng)。激光頭本身架在卡槽上，其一端固定于移動(dòng)物體上。光敏電阻在排布后，將引線依次和微控制器的I/O口連接。

圖3 系統(tǒng)整體安裝示意圖

3.3 矩陣鍵盤式電路搭建

矩陣鍵盤式電路節(jié)省了I/O口的使用數(shù)量，能夠在I/O口有限的情況下，迅速定位到按鍵按下的位置。該應(yīng)用普遍用于鍵盤，故得其名[13]。

基于矩陣鍵盤的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中的傳感部分，即矩陣鍵盤式電路，利用光敏電阻的光電效應(yīng)取代了原矩陣鍵盤中的開關(guān)按鍵。矩陣鍵盤式電路如圖4所示。

圖4 矩陣鍵盤式電路圖

將排布的光敏電阻分成n組，每組m個(gè)光敏電阻。X和Y是分別由光敏電阻的兩端形成端口組，X包含的端口用ax(第x組中，電阻和光敏電阻之間引出的點(diǎn))標(biāo)記，Y包含的端口用by(所有組的第y個(gè)電阻下端連結(jié)以后引出的點(diǎn))標(biāo)記，則(x,y)為唯一確定的位置。本系統(tǒng)選用光敏電阻和激光頭的組合，利用了光敏電阻在特定光照下阻值會(huì)急劇降低的特性，進(jìn)行3.2節(jié)所述傳感器的安裝。則激光頭跟隨物體移動(dòng)的過程中，所照射的光敏電阻阻值急劇降低，而未照射到的電阻阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上拉電阻。即光敏電阻受到照射時(shí)，若Y(b1,b2,…,by)端口全部置0，則X(a1,a2,…,ax)端口中，被照射的光敏電阻所處的位置電壓接近于0，其余為高；若X(a1,a2,…,ax)端口全部置0，則Y(b1,b2,…,by)端口中，被照射的光敏電阻所處的位置電壓接近于0，其余為高。于是，上拉電阻端的電壓VCC選擇單片機(jī)可以承受的電壓，便可以通過讀取單片機(jī)I/O口的高低電平判斷出光敏電阻阻值的變化，這樣光敏電阻便可以看作是一個(gè)矩陣鍵盤的“按鍵”。綜上所述，通過安裝光敏電阻，可以形成一個(gè)矩陣鍵盤式的電路，具體掃描和定位詳見4.1。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 掃描讀取位置

光敏電阻兩端分別可以引出端口組X(a1,a2,…,ax)和Y(b1,b2,…,bx)。

掃描程序流程如圖5所示。

圖5 掃描程序流程圖

軟件設(shè)置一個(gè)掃描周期，每過一段時(shí)間掃描矩陣鍵盤式電路引出的I/O口。若一個(gè)光敏電阻阻值發(fā)生變化(即激光頭跟隨物體運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，該光敏電阻受到激光頭照射)，則設(shè)置Y(b1,b2,…,by)端口組所有端口的電壓為0，相應(yīng)的ax端口電壓被拉低，其余為高。故通過掃描讀取X(a1,a2,…,ax)端口組就可以找到相應(yīng)的ax端口，然而ax端口連接著一組光敏電阻，具體確認(rèn)需要置ax端口(僅此一個(gè))為0，掃描讀取Y(b1,b2,…,by)端口組，可以找到相應(yīng)的by端口的電壓為0，其余端口為高。由此即可得到唯一確定的(x,y)。該點(diǎn)即為阻值變化的光敏電阻所在點(diǎn)，也是被測物體的位置。

4.2 位置信號(hào)換算及數(shù)字信號(hào)輸出

在排布光敏電阻時(shí)，給每一個(gè)光敏電阻編號(hào)，則(x,y)為確定位置。根據(jù)圖4的光敏電阻排布，令上起為0點(diǎn)，從上到下依次排序，每個(gè)光敏電阻寬度為0.5 cm，即相鄰2個(gè)光敏電阻的中心位置間距為0.5 cm，且每組有m個(gè)光敏電阻，共有n組。相鄰光敏電阻用不透光的隔板阻隔，當(dāng)激光照射到一個(gè)光敏電阻，即該光敏電阻的2個(gè)相鄰隔板之間時(shí)，記被測物體所在的位置為該光敏電阻的中心位置。被測物體所在的位置P可表達(dá)為：

P=0.5[(x-1)m+(y-1)n]+0.25

(1)

式中：x、y分別為被照射位置所對(duì)應(yīng)的2個(gè)端口組的編號(hào)，x∈{1,2,…,n}，y∈{1,2,…,m}。

當(dāng)激光恰巧照射在某一個(gè)隔板上，隔板2側(cè)的光敏電阻均受到照射，則被測物體所在位置取2個(gè)光敏電阻中心位置的平均值。此時(shí)，P可表達(dá)為：

P=0.5{[(x1-1)m+(y1-1)]+[0.5(x2- 1)m+(y2-1)]+0.5}

(2)

式中：x1、y1為被照射的2個(gè)光敏電阻中距離0點(diǎn)較近的光敏電阻；x2、y2為較遠(yuǎn)的光敏電阻。

由STM32完成掃描信號(hào)的給定、公式的運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)的輸出等操作。STM32具有32位的Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率達(dá)到72 MHz。它不僅能快速掃描電路，還能迅速計(jì)算出數(shù)字信號(hào)位置P；可以選擇通過接口輸出，例如串口、液晶屏和藍(lán)牙等，也可以直接通過單片機(jī)進(jìn)行控制操作來修正位置偏差，例如輸出PWM信號(hào)、控制指令等。

5 樣機(jī)制作與性能測試

本文介紹的系統(tǒng)涉及一種新穎的傳感器應(yīng)用，其將光敏電阻、激光頭和矩陣鍵盤結(jié)合，可以在較大的被測范圍內(nèi)輸出被測物體的位置。

根據(jù)本文的內(nèi)容制作樣機(jī)。樣機(jī)將測試長度選為2 m，隨機(jī)選取24個(gè)測量點(diǎn)，通過卷尺測量得到真值，控制器通過串口輸出到上位機(jī)的值為測量值，并且通過計(jì)算得到絕對(duì)誤差。樣機(jī)測試試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 樣機(jī)測試試驗(yàn)結(jié)果

測量點(diǎn)絕對(duì)誤差分布圖如圖6所示。

圖6 測量序號(hào)點(diǎn)絕對(duì)誤差分布圖

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)測試過程中出現(xiàn)了3個(gè)異常點(diǎn)(測量序號(hào)為4、14、16)，即激光頭發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，沒能正確照射到相應(yīng)位置的光敏電阻，但絕對(duì)誤差仍保持在±0.5 cm范圍以內(nèi)。由此可知，樣機(jī)中傳感部分的位置誤差小于±0.5 cm，分辨率為0.5 cm。

本文設(shè)計(jì)制作的樣機(jī)將“超級(jí)黑板”作為測試環(huán)境，選取了2 m(黑板長度)的被測范圍，即將黑板中投影區(qū)域作為測試對(duì)象，其位置作為測試的主要參數(shù)。測試條件為：額定工作電壓為12 V的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，測得其精度約等于0.25%，同樣滿足上述的誤差范圍和分辨率。文獻(xiàn)[14]中提到的縫隙搜救機(jī)器人利用重建軌跡與模擬廢墟的定位方法，在長為3.4 m的測量范圍內(nèi)精度達(dá)到20 cm以內(nèi)。比較得出，本文在精度方面得到了顯著的提升。在樣機(jī)的工作中，“超級(jí)黑板”的同步帶在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下存在一定的震動(dòng)，樣機(jī)仍能不受影響地測量，滿足抗震性的要求。經(jīng)過樣機(jī)測試，以STM32為核心的控制器結(jié)合矩陣鍵盤式電路，縮短了位置測量的時(shí)間，達(dá)到了實(shí)時(shí)輸出位置信號(hào)的要求，運(yùn)行高效且價(jià)格低廉。樣機(jī)克服了文獻(xiàn)[2]中所述的傳感器部分局限，較好地解決了“超級(jí)黑板”中白色投影區(qū)域精確定位的問題。

6 結(jié)束語

針對(duì)“超級(jí)黑板”應(yīng)用時(shí)所涉及的現(xiàn)階段定位傳感技術(shù)的缺陷(如測量范圍短，且存在盲區(qū)；非線性的特點(diǎn)影響測量；測量時(shí)要求穩(wěn)定的環(huán)境，不能存在震動(dòng)干擾等)，分析了現(xiàn)階段常用的測距定位傳感器，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種可抗震型光電定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可適用于測量范圍較大且要求在測量范圍內(nèi)無盲區(qū)(整個(gè)被測范圍內(nèi)保持一定的精度)，或測量空間狹小且存在一定的震動(dòng)的特殊應(yīng)用環(huán)境。本系統(tǒng)通過光敏電阻的排布形成矩陣鍵盤式電路，節(jié)約了I/O口的資源；設(shè)計(jì)了放置激光頭的卡槽，使被測物體可以存在一定范圍的震動(dòng)；并且通過軟件設(shè)計(jì)達(dá)到了實(shí)時(shí)輸出數(shù)字位置信號(hào)的功能。制作樣機(jī)，選取2 m的測試范圍，系統(tǒng)位置誤差能保持在±0.5 cm的范圍以內(nèi),且保持約為0.25%的精度。該系統(tǒng)還存在缺陷，即其誤差受光敏電阻本身體積限制，且物體震動(dòng)范圍不能過大。因此下階段，一方面可以尋找體積更小，光電效應(yīng)更良好的光敏電阻；另一方面，可以改進(jìn)激光頭卡槽的結(jié)構(gòu)以提高抗震的效果。

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Design of the Anti-Vibrate Photoelectric Positioning System for Super Blackboard

ZHANG Jiahui1,2,GUO Hualiang3,XU Zhiyu1,ZHAO Mingyan4

(1.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Department of Electrical,Electronic and Information Engineering,University of Bologna,Bologna 40136,Italy;3.Institute of Information Science and Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;4.College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

In view of the positioning requirement in application of “Super Blackboard”,an anti-vibrate photoelectric positioning system has been developed.Making use of microcontroller STM32F103 as the main control chip;and selecting photosensitive resistance to detect the light;the matrix keyboard circuit is designed to save the resources of I/O ports,and shorten the time of positioning;meanwhile;the cooperation of the chips and the circuits makes the system possess the ability of outputting the digital information of position in real time.With the structure of slots and the installation of the laser head,the system is suitable for following working environments: these are large range of measurement and no blind area exists in the range of measurement (keeping a certain precision in the whole range being measured), and the space of measurement is narrow and a certain vibration exists.The test results of the prototype show that in the case of 2 m measurement range,the system keeps the output error of the position within ±0.5 cm,i.e.,the precision is up to 0.25%.

Super blackboard； Anti-vibrate； Photoelectric positioning； STM32； Sensor； Matrix keyboard； Scan reading

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015R409003)、上海市重點(diǎn)課程建設(shè)基金資助項(xiàng)目

章佳輝(1993—)，男，在讀碩士研究生，主要從事智能控制方向的研究。E-mail：karlzhangjh@163.com。 徐志宇(通信作者)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事智能控制理論及應(yīng)用研究。E-mail:xuzhiyu@#edu.cn。

TH-39;TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708003

修改稿收到日期:2017-02-27