智能歸位椅的設(shè)計

蔣沁宏 劉杰 彭穎

摘要

本論文設(shè)計了一種室內(nèi)智能歸位椅，以兩驅(qū)小車為載體，通過陀螺儀MPU9250（加速度傳感器十角度傳感器）進(jìn)行定位，地磁和磁場傳感器GY-273進(jìn)行角度測試及位置修正，由PWM控制小車的行動路徑，利用位移、角度數(shù)據(jù)計算、PID調(diào)試實現(xiàn)智能歸位。通過數(shù)據(jù)測試與分析，本系統(tǒng)適合在磁場比較少的環(huán)境下工作，記錄路徑時間在20s內(nèi)完成最優(yōu)，將MPU9250的采樣速率設(shè)置為1MHz，GY-273的采樣頻率為200RHz。系統(tǒng)角度定位的定位精度為2°左右;修正路徑后距離誤差控制在2-3cm。

【關(guān)鍵詞】智能歸位 磁場定位 MPU9250 GY-273 路徑記錄

人工智能自進(jìn)入人們生活以來，其理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷壯大，人們越來越離不開人工智能。本文設(shè)計方案與現(xiàn)有機(jī)器人定位系統(tǒng)中頻繁使用的航位推算法不同，本文提出一種通過加速度傳感器和角度傳感器進(jìn)行路徑記憶、附加指南針進(jìn)行方位準(zhǔn)確定位，應(yīng)用合理的歸位算法設(shè)計，使“智能椅子”以最優(yōu)化的路線返回初始位置的智能歸位椅方案。通過對傳感器線加速度信息和角加速度信息進(jìn)行二重積分獲得機(jī)器人的位置信息這種創(chuàng)新思想的提出，降低設(shè)計難度，有利于減小成本。本方案設(shè)計出的智能歸位椅能達(dá)到系統(tǒng)角定位精度2°，距離精度2-3cm的誤差范圍內(nèi)，可廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活中。

1 硬件系統(tǒng)

智能歸位椅核心部分為小車，其以STM32F103ZET6芯片為主控芯片，外部采用四節(jié)1.2V的蓄電池作為系統(tǒng)的供電部分。其中，MPU9250慣性傳感器用于加速度和角度的測量，GI-273電子指南針模塊用于偏向角的測量，L298N用于直流電機(jī)的驅(qū)動，光電開關(guān)用于輪速的測量。通過加速度傳感器和角度傳感器進(jìn)行路徑記憶，附加指南針進(jìn)行方位的準(zhǔn)確定位，運用方案設(shè)計的歸位算法，使“智能椅子”以最優(yōu)化的路線返回到原始位置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，通過編碼器測速及誤差計算后，使用PID算法對小車行走路徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過五組測量調(diào)試得到的數(shù)據(jù)，確定KP=18;Ki=5;Kd=0.7。測試得到的數(shù)據(jù)基本符合模擬得到的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。因此在PID調(diào)試中，當(dāng)三個參數(shù)恰好是上面的數(shù)值時候，小車可以走直線。

當(dāng)小車到達(dá)終點時，計算出終點和初始點相對的角度，以便于準(zhǔn)確定位;利用MDK中的MATH庫進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，設(shè)計出最優(yōu)算法，使椅子能自動回到初始位置。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 軟件設(shè)計

設(shè)計采用STM32E103ZET6作為主控芯片，利用其內(nèi)部的SPI接口與MPU9250進(jìn)行通信;IZC接口與GY-273進(jìn)行通信，并且將傳感器采樣數(shù)據(jù)存儲在靜態(tài)存儲器中，用于歸位時的數(shù)據(jù)存儲、計算、提取。MPU9250對路徑進(jìn)行實時記錄，采樣時間為0.2s，將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計算后存儲在靜態(tài)存儲器中;GY-271測出準(zhǔn)確的偏離角度，使主控芯片產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波實現(xiàn)小車運動路徑控制等;當(dāng)藍(lán)牙HC-05發(fā)送歸位信號時，小車通過歸位算法進(jìn)行歸位，在歸位的過程中進(jìn)行PID調(diào)速。

2.2 自動定位、歸位算法設(shè)計

自動定位通過MPU9250傳感器進(jìn)行加速度和角度測量，測量過程中每0.2S采集一次數(shù)據(jù)，并將測量得到的數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中。自動歸位采用己計算出的X、Y，通過相應(yīng)PWM占空比對應(yīng)的實際速度，計算出需要的時間，在指定的時間小車可以走到準(zhǔn)確的位置并且調(diào)整好方向。經(jīng)過測試，本次設(shè)計PWM占空比采用60%，周期為20ms。

3 調(diào)試及結(jié)果分析

本設(shè)計的測試需要在室內(nèi)小空間且磁場干擾較小的環(huán)境中進(jìn)行，圖2為實驗測試區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖。

3.1 位移計算

通過對傳感器測試數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，為確保實驗所采集數(shù)據(jù)的一致性，需調(diào)整加速度傳感器的行進(jìn)方向與傳感器的X軸方向保持一致，同時需要將GY-273的X軸方向與MPU9250的方向保持一致。

在數(shù)據(jù)存儲的過程中，應(yīng)先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。對于數(shù)據(jù)的計算，采用下示方法分別對加速度和角度進(jìn)行計算。示意圖如圖3所不。

3.2 自動歸位檢測及調(diào)試

本次設(shè)計的數(shù)據(jù)總共有三種來源，第一種是來自實際測量，這類數(shù)據(jù)是在測量之前在區(qū)域內(nèi)放置坐標(biāo)軸可以實時的檢濺第二種數(shù)據(jù)，是通過傳感器測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谥郑?jīng)過物理計算之后得到的數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)借助于MATLAB進(jìn)行的計算的，但是引入了人工誤差;第三種數(shù)據(jù)是通過在芯片內(nèi)部的算法的得到的，將每次更新出的ΔX、ΔY，得到最終的X和Y。對三種數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，分別測量四組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和算法修正，最終測量數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的智能歸位椅能夠像機(jī)器人一樣完成室內(nèi)定位和自動歸位，具有廣泛的應(yīng)用前景。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，創(chuàng)新的設(shè)計出一種通過加速度、角度以及指南針傳感器來實現(xiàn)路徑記憶、智能歸位的方案，在很大程度上降低了產(chǎn)品成本。實驗表明，本文設(shè)計的智能歸位椅與現(xiàn)有類似產(chǎn)品相比，設(shè)計簡單，價格低廉，系統(tǒng)可靠性高，具有很強(qiáng)的通用性，非常適合在辦公場所中應(yīng)用，設(shè)計思路和概念可廣泛應(yīng)用于智能家居中。

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