基于无线网络的室内移动机器人定位方法研究

1、作者简介：杨佳丽，1986.2，女，陕西，硕士研究生，车辆导航与移动机器人智能控制，联系电话E-mail: kkarrie 1基于无线网络的室内移动机器人定位方法研究杨佳丽 史恩秀西安理工大学机械与精密仪器工程学院 陕西 西安 710048摘 要 本文基于超声波测距原理，研究开发了一种以nRF24L01无线通信芯片为核心的移动机器人（Mobile Robot, MR ）室内无线网络定位系统。定位系统由定位传感器、一台计算机、一个主控制器和多个无线网络节点组成，主控制器和无线网络节点都使用STC12C5616AD 单片机作为核心控制芯片，主控制器通过串口将数据发送到上位

2、机，上位机用V isual C+编写的程序进行数据采集和处理，实现了上位机与室内定位系统及移动机器人之间的无线通信。实验结果证明：该系统成本低廉、结构简单, 能实现可靠的无线数据传输。 关键词 STC12C5616AD ，nRF24L01，超声波，定位系统，无线数据传输 中图分类号 TP242.2 文献标识码: AStudy on the Position Method for Indoor Mobile RobotBased-in Wireless Network TechnologyY ang Jiali Shi EnxiuSchool of Mechanical and Instrume

3、ntal， XiAn University of Technology， Xian 710048Abstract : A new wireless network for indoor positioning system was developed based on nRF24L01. The system which used ultrasonic positioning method，was composed by a computer, a main controller and many wireless net work nodesThe main controller and t

4、he wireless network node are implemented by STC12C5616AD as a core control chip microcontroller. The main controller send the data to the host computer through the Serial portsThe data acquisition and processing program is written in VC+. To achieve the host computer for wireless communication betwe

5、en indoor positioning system and mobile robot. Experimental results show that this control method is low cost, simple structure and can deliver reliable wireless data transmission.Key Words: nRF24L01, STC12C5616AD, ultrasonic, indoor positioning system robot, wireless data transmission引言随着移动机器人MR (M

6、obile Robot 应用范围的扩大，对其的导航与定位技术成为研究的重点，这也是MR 实现智能化和完全自主移动的关键所在1。对导航与定位技术的研究，其目的在于使MR 在无人干预的条件下使其有沿规划的路径安全移动到目标位置以完成指定的任务。在MR 的定位导航系统中，定位是实现导航的前提与基础。目前，移动目标定位技术主要有独立定位、卫星定位和无线电定位等。独立定位技术不需要使用通信设备，具有完全自主性，受外界影响小，但误差会累积，即定位精度随定位过程的进行不断下降1。卫星定位可为全球范围内的用户提供连续准确的位置、速度和时间信息，但小距离定位精度差，在室内无法可靠地接收定位信号，不适用于室内移动

7、机器人IMR(Indoor Mobile Robot 。无线电定位是依据电磁波的恒定传播速率和路径的可预测性来实现的2,3。本文采用此定位原理对移动机器人进行定位，通过红外光和超声波可实现对移动机器人的绝对定位，原本定位系统的MR 是在固定的室内短距离传输，不会影响定位精度4。解决了现有室内移动机器人导航与定位技术存在的性价比低、路径设置不灵活的问题。1 定位系统设计本文以用于车间的IMR 为研究对象，针对其定位问题进行研究，设计了一种基于无线通信的IMR 室内定位系统。定位系统包括车载控制子系统和定位子系统(如图1所示 。定位子系统中的主控制器与车载控制子系统中的车载控制器间通过无线通信模块

8、进行通信。定位子系统由上位机、主控制器和位于机器人工作空间上方阵列式分布的定位单元模块组成，其中，定位单元模块的分布如图2所示。平面P 是一位于IMR 工作空间上方平行于MR 工作平面且距离一定的平面，定位单元模块在平面P 内以等间距a 成方阵式分布。定位单元模块由从控制器、红外光接收器和超声波接收器和无线通讯模块组成。 车载控制子系统由车载控制器和分别安装在MR 前后端的发射单元模块M1和M2组成，其中的发射单元模块由从控制器、超声波发送器和红外光发送器组成。其中车载控制器的作用是控制发射单元模块中的从控制器以一定的频率发送红外光和超声波，根据无线通讯模块接收的来自定位系统的信息控制MR 运

9、动。2 定位原理车载控制器分时控制位于MR 前后端的发射单元模块M 1和M 2中的发射单元模块以一定的频率同时发送超声波和红外光。定位子系统的定位单元模块中的从控制器通过检测红外光接收器(接收来自MR 的红外光 的状态启动计时器，根据超声波接收器(接收来自MR 的超声波 停止计时器，根据计时器的数据计算该节点M i (i=1,2 距离A 、B 、C 三点的距离S n ，并将此距离信息通过无线通讯模块发送给主控制器。主控制器通过串口将所接收到的距离信息传给上位机，上位机完成该发射模块在MR 工作平面上的位置 (x i, yi (i =1,2，依据两发射模块的位置信息可得MR 在其工作空间的位置(

10、x , y 和姿态角(简称位姿，记为P = x y T 。结合MR 的目标点位姿 P t = xt y t t T 计算出MR 左、右轮在下一控制周期T 内的运动量（如速度或位移量）。上位机通过串口将此运动量发送给主控制器，再通过无线模块将此发送给车载控制子系统以控制MR 。2.1红外超声波测距原理为获得发射单元模块M i (i=1,2点位置信息的关键是测出其到A 、B 、C 三点距离M i 点的距离S i,n（n =A,B,C）。本研究采用超声波测距法。测距原理如下： MR 上的发射单元模块M i (i=1,2在单片机的控制下由红外光和超声波发射器同时发射红外光和超声波。由于光速比声速快，位

11、于P 平面上的某节点处的从控制器先接收到红外光，后接收到超声波信号。A i,A图1 系统总体设计框图 图2 IMR 定位系统及定位原理图 Fig.1 System design diagram Fig.2 The Principle of Position System for IMR由于光速远大于声速，所以光通过距离S i,n 的时间t 光远小于超声波通过其的时间t 声，由于S i,n 很小（对室内移动机器人，在S i,n 10m 内），可认为t 光0，即可认为位于节点A 、B 、C 处的红外光接收器同时接收到红外光信号，相应地，计时器的值即可为超声波从MR 到该节点的传播时间t 声6，据此

12、可得S i,n ：, , i n i n S t V 声 (12.2 MR 定位原理为确定MR 在其工作平面上的位姿P ，以通过车载发射单元且平行于MR 工作平面的一平面为坐标平面建立坐标系XOY，定位单元模块所在平面P 平行于坐标平面XOY ，其间距离为H 。设根据在P 平面中距离Mi 最近且相邻三点A 、B 、C 处定位模块的距离信息S i,n 作为定位用信息。设三点在XOY 内的投影分别为A、B、C，点A、B、C分别到Mi 点间的距离为L i,n （如图2所示）：222, , i n i n L S H =- (2设投影点A、B、C在平面XOY 上的位置为 (x n , y n ，以(x

13、 n , y n 为圆心，L i,n 为半径画圆(如图3所示 。理论上，多圆必交于一点，该点即为对应的发射单元M i 。设M i 点的坐标为(x m , y m ，根据下式可得M i 点的坐标(x m,i , y m,i ：222, 222, 222, ( ( ( ( ( ( M i A M i A i A M i B M i B i B M iC M i C i C x x y y L x x y y L x x y y L -+-=-+-=-+-= (3由此可知，要确定M 点的位置，只能测得A 、B 、C 三点距离发射点M 的距离S i,n 即可5。若能得到MR 前后两发射点M 1和M 2

14、在平面XOY 上的点坐标，通过(3式可得MR 的实际位姿P （如图4所示）：M 1M 2M 1M 2M 2M 122arctan x x x y y y y y x x +=+=-=- (4 上位机根据MR 的位姿P 和其目标点位姿P t 计算出MR 下一控制周期的量；并通过无线发射模块传输给机器人的车载控制器，车载控制器据此控制左、右轮运动以控制MR 向目标点运动。3 系统软硬件设计3.1 系统硬件设计本系统均采用宏晶科技有限公司研发生产的STC12C5616AD 单片机作为各控制器的核心。STC12C5616AD 是一种高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统的

15、8051，但速度提高了8-12倍，内部集成有专用的复位电路；可采用多种编程方式，也可通过串口直接下载用户程序。其含有一个通用全双工异步串行口和一个SPI 串行外设接口，工作频率范围可达35MHZ ；两个专用的16位定时器；一个具有4路PWM 输出的可编程记数器阵列PCA ；8路高速10位的A/D转换器。主要应用于强干扰场合7 。3.1.1无线通讯模块设计无线通信模块是主控制器、网络节点和MR 间的纽带。本系统的无线通信模块采用nRF24L01芯片，其特性有工作频段在2.4-2.5GHz 间，有125个频道；传输速率为1Mbit/s或2Mbit/s，SPI 速率最高可达8Mbit/s；GFSK

16、调制；具有自应答和自重发功能，并自动生成报头和CRC 校验码；接收工作电流只有12.3mA ，并配有多种低功率工作模式，节能 8。nRF24L01的外围电路比较简单，其CE 、CSN 和SCK 等管脚输出到无线通信模块接口，通过SPI 与单片机的相应管脚相连。发送数据时，只要将配置寄存器信息、所需发送数据和接收地址通知nRF24L01，它便会自动完成数据打包和发送操作；接收数据时，nRF24L01会自动进行数据检测、地址配置、解包和CRC 校验，最后将数据传到单片机进行处理。nRF24L01能很好的满足MR 定位系统的设计要求。3.1.2 各定位节点的从控制器和主控制器的设计系统定位节点的从控

17、制器的结构原理如图5所示。其集超声波收发于一身，并带有测温模块可校正测距误差，并可对数据进行预处理和实时显示，同时无线通讯模块将超声波传感器采集到的时间信号进行编址，并附加数据，打包发送给接收主控制器。数量可根据实际需要进行配置。主控制器通过无线模块接收所有从控制器传送来的数据通过RS232传送到上位机，同时通过无线模块把上位机传来的数据传送给MR （如图6所示）。 图5从控制器硬件框图 图6主控制器硬件框图Fig.5 Schematic Diagram for Slave Controller Fig.6 Schematic Diagram for Master Controller3.1.

18、3 红外超声波发射控制器设计 位于MR 前后端的发射模块M 1和M 2其结构原理如图7所示。车载控制器分时控制M 1和M 2的同时发射红外光和超声波。本文采用的超声波发射和接收头的中心频率为40kHz ，一体化红外接收头HX1838的中心频率为38kHz 。为了使单片机产生精准的脉冲信号兼顾红外超声波发射器电路的简单和可靠性，本文经过实验中信号调试，采用39kHz 频率，该方法简单可行。3.2 系统软件设计3.2.1 红外超声波发射软件设计红外超声波发射程序流程图如图8所示。该发射程序使用STC12C5616AD 单片机的PCA 模块，设置其为PWM 模式，由于该型号单片机的PWM 为8位，则

19、：PCA PW M =256时钟输入源频率的频率（8） 将PWM 的占空比分别设置为50%和20%。占空比为50%的方波用于激励超声波发射头发射超声波；占空比为20%的矩形波用于激励红外发射管产生红外光脉冲信号。3.2.2各控制器软件设计定位节点的从控制器程序流程如图9所示. 红外超声波传感器上电后首先进行初始化，然后开始采集时间数据，单片机将采集的数据计算成实际距离并在数码管中显示出来，送入nRF24L01无线模块控制其发送出去。主控制器程序流程如图10所示，初始化后，主控制器的无线模块负责数据的接收；将各节点发来的数据通过串口总线上传到上位机。另一方面，主控制器的无线模块负责数据的发送，将

20、上位机传送来的数据通过无线模块发送给MR 。车载控制器负责人机交互、发出控制信号，通过无线通讯模块接收来自主控制器的数据，再通过串口把左右轮速度和方向信号发送给下位机并完成对左右驱动轮的运动控制，程序流程如图11所示。 图9 从控制器程序流程图 图10 主控制器程序流程图 图11 车载控制器程序流程图Fig.9 The Chart for Sub-Controller Fig.10 The Chart for Main-Controller Fig.11 The Chart for MR-Controller3.2.3上位机软件设计上位机要实现的功能有：（1）传感器数据的采集与处理；（2）定位

21、系统与车载系统间的数据传输；（3）MR 的位姿计算；（4）MR 的运动控制。为此，选用Visual C+6.0编写。该软件提供了良好的可视化编程环境。4 定位实验针对所设计的定位系统设计了定位实验(如图12所示 ，通过实验验证定位方法的可行性和可靠性。实验中的超声波发射器和接收器采用T/R40-16防水型超声波传感器，中心频率40kHz ，发射角45°，测量范围200mm 11000mm ，满足企业高厂房内移动作业机器人导航的要求。构造的超声波接收网络与超声波发射器的垂直距离H=3835mm，超声波接收器的分布间隔d=1000mm。两个超声波发射器分别位于不同位置，选4个接收装置，分

22、别选用其中三个重复测量3次，实验结果如表1所示。根据实验，可得定位误差。由实验知，超声波发射器的计算位置和实际位置相差很小，最大误差m =41.5mm，可满足一般移动机器人在车间内作业的定位要求，从而证明了所设计的定位方法是可行的，也是可靠的。图8 红外超声波发射程序 Fig.8 The Chart for Sending Model2011 年西安理工大学研究生学术活动月 (a 发送模块 (b定位系统 图12 定位实验装置图 Fig.12 The Picture for Positioning IMR 实际位置 Ti(xi,yi T1 (478,782 表1 实验数据和结果分析(单位：mm

23、Table 1 The Result of Experiment (Unit: mm 接收位置 Ri(xi,yi 测试距离 1 测试距离 2 测试距离 3 计算位置 Ti(xi,yi R1(0,0 R2(0,1000 R3(1000,1000 R1(0,0 R2(1000,0 R3(1000,1000 R1(0,0 R2(0,1000 R3(1000,0 3956 3949 3955 3954 3956 3956 3954 3949 3955 3887 3886 3886 3892 3887 3884 3888 3892 3892 3880 3873 3878 3961 3962 3962 3

24、878 3876 3877 3880 3878 3879 3961 3962 3962 3879 3879 3876 3887 3888 3888 3888 3887 3887 3962 3965 3968 3956 3957 3956 3956 3954 3954 3968 3965 3963 （473,798） （442,797） （461,801） （472,786） （476,794） （476,794） （468,798） （437,786） （449,805） （202,527） （191,531） （198,527） （229,520） （206,532） （194,532） （186,535） （213,551） （220,562） 误差 16.6 39.3 25.8 7.3 12.5 12.5 18.4 41.5 37.7 26.1 32.3 28.6 30.3 20.5 29.0 34.8 5.4 14.5 T2 (218,548 R1(0,0 R2(0,1000 R3(1000,1000 R1(0,0 R2(1000