室內無地圖導航系統的設計

梁偉新　滿紅　凌榮波　梁鈺成

摘 要 室內無地圖導航系統是基于ARM嵌入式微處理器平臺開發的新型導航系統。此系統主要采用主從結構的分布式處理方式，利用攝像頭采集室內的圖像送到微處理器中進行圖像合成，比較輸出后利用WIFI網絡將信息發送到移動終端，移動終端設備根據實際情況為使用者配置合理的定位路線；移動機器人在接收到移動終端設備發來的路線信息后會主動引領使用者到達指定位置。該系統主要適合于大型博物館、商場、寫字樓等大型建筑的導航，在方便人們生活、提高效率等方面具有重要的意義。

關鍵詞 室內導航 移動機器人 主從結構 WIFI網絡

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.10.017

Abstract Indoor non map navigation system is a new navigation system based on ARM embedded microprocessor platform. This system mainly adopts the distributed processing mode of master-slave structure， sent to the microprocessor for image synthesis using image acquisition camera interior， after comparing the output using the WIFI network to send information to the mobile terminal， the mobile terminal equipment according to the actual situation for the reasonable allocation of user location routing； mobile robot to the mobile terminal device to route information will take the initiative to lead the user to the specified location in the receiving. The system is mainly suitable for large-scale museums， shopping malls， office buildings and other large buildings navigation， in order to facilitate people's lives， improve efficiency and other aspects of great significance.

Keywords indoor navigation； mobile robot； master-slave structure； WIFI； network

在生活節奏不斷加快的時代，人們希望做任何事都盡可能地節省時間。因此，不管在家或是在外面，人們總想有助手幫忙處理更多的事情，室內無地圖導航系統的設計就是在這種需求下應運而生。利用室內無地圖導航系統可大大減少人們在陌生的室內建筑中尋找位置所浪費的時間。另外，基于此技術還可開發出更智能的機器人，為人們解決生活上的問題。

室內無地圖導航系統主要由圖像采集定位系統、導航機器人、移動終端設備等部分組成。攝像頭負責采集室內的圖像送給微處理器進行圖像合成；移動機器人負責具體的引領和導航功能；移動終端設備主要負責接收、顯示室內合成后的圖像以及為使用者選擇具體的定位地點。

1 系統設計

在硬件方面，主要采用主從結構的分布式處理方式，根據控制系統硬件結構和功能需求，采用ARM嵌入式微處理器作為處理平臺的核心，協調控制各個子模塊系統。子模塊主要由圖像采集定位、導航機器人、移動終端設備等部分組成。[1]而上位機負責小數據融合、分配任務指令和協調各子模塊等工作，具有一定的可靠性和實時性。這種可高效運行的嵌入式設計結構增加了系統的穩定性，便于系統維護。系統結構如圖1所示。

在軟件部分，采用了先進的圖像處理技術和各種算法融合方式，通過不斷的學習，增加了機器人的適應性，使其在完全未知的環境下能夠順利工作。利用攝像頭將周圍圖像采集回來后，先進行去噪處理。如果對運動物體進行定位，則利用兩幀之差得到圖像中運動物體的數據并利用質心法得出該點中心發送給總處理器；如果對特定的運動物體進行追蹤，則利用粒子群濾波算法對其進行定位追蹤并返回坐標；如果對固定物體進行定位，則是直接將該物體坐標返回給處理器。其軟件實現方案如圖2所示。

2 導航機器人模塊設計

2.1 導航機器人工作原理

本系統的導航機器人主要使用輪形機器人，因為輪形機器人比人形機器人在移動方面上更有優勢。導航機器人在空閑狀態下會處于待機模式以減少電能的消耗。導航機器人與移動終端設備之間的通訊主要通過WIFI來完成。[2]當導航機器人接收到移動終端設備發來的坐標地址后，導航機器人開始啟動，引導使用者到達指定位置。在移動過程中，導航機器人通過超聲波進行避障。當導航完成后，導航機器人會尋找附近的停泊點停靠并重新進入待機模式等待下次的使用。另外，導航機器人會在每次使用后檢測自身的電量，當自身電量過低時，導航機器人會在停泊點處進行自動充電。

2.2 導航機器人設計

導航機器人采用輪形機器人的主控電路部分采用STM32作為控制的微處理器，在STM32外圍搭建導航機器人前輪舵機控制電路、穩壓電路、避障電路、電量檢測電路、充電電路以及WiFi、藍牙等通訊電路。

導航機器人的移動和轉向主要由H橋驅動電路和舵機控制電路實現，驅動電路每個H橋由兩塊半橋芯片BTN7971組成，[3]再在外圍添加適當的電容、電阻組成完整的橋式驅動電路。電量檢測電路主要是檢測電池電壓，利用電阻串聯分壓原理，在分壓電阻上采集信號送到放大器中進行比較放大，得到的模擬信號通過A/D轉換后在數碼管中顯示；同時STM32也會讀取轉換后的電壓數值與設定的閥值進行比較，當低于閥值電壓時，控制導航機器人進行充電狀態。endprint

收發數據方面，主控電路中的STM32通過WIFI通訊電路接收移動終端設備發來的定位坐標，主控電路中的WIFI設備IP地址設為固定的IP地址，以便與移動終端設備進行定向通訊。為適應各個設備的使用，穩壓電路中進行了3.3V和5V的穩壓，分別采用了AMS1117和LM2940兩種穩壓芯片。

在避障方面，為了完成機器人在自主移動過程中的自主避障功能，移動機器人需要實時、主動探測與障礙物之間的距離，以免碰撞。為了解決單一傳感器所產生的方向性差等問題，本文采用多超聲傳感器和多傳感器融合技術進行測距。

為了在復雜、未知的移動環境中預測出障礙物的位置，采用具有很強容錯性和魯棒性的模糊控制算法，建立障礙物的位置和方向的模糊關系，并規劃機器人的正確路徑。[4，5]為了補償溫度對超聲波速度的影響，采用DS18B20測溫器件對外界環境中的溫度進行感知，實現測距的精確性和實時性。[6，7，8]超聲波傳感器的避障模塊設計方案如圖3所示。

3 導航與定位技術

本系統的移動終端設備的可選擇范圍比較廣，手機、平板電腦、筆記本電腦都可以作為本導航系統的移動終端設備。當使用者手持移動終端設備來到室內建筑時，移動終端設備可通過無線網卡連接到大樓內部的WIFI。連接WIFI后，移動終端設備會接收到建筑內部的圖像，使用者在移動終端設備上選擇要到達的地方后，移動終端設備就會發送一個具體的坐標地址給附近的導航機器人。[9]使用者在導航機器人引領下就能到達目的地。移動終端的整個收發數據過程都是由WIFI來完成。

3.1 圖像采集處理

為提高圖像的質量和定位的準確度，本系統采用的攝像頭是普通的ov7725攝像頭，而整體實物將采用監控紅外攝像頭，處理的算法基本有高斯模糊、傅里葉變換去噪、otus動態二值化、兩幀差、粒子群濾波追蹤等。圖像處理軟件流程如圖4所示。

3.2 移動終端設計

移動終端設備主要用來進行人機交互，為使用者提供可操作界面。利用移動終端設備接收系統的導航圖像并在移動終端上顯示，就需要開發移動終端上的應用程序。移動終端上的應用程序與移動設備的類型有關。根據不同的操作系統，制作相應的應用程序或通過網絡下載完善的應用程序源碼再通過加以修改。為適應大部分人群的使用，選擇以安卓系統為開發平臺，利用Eclipse開發軟件對應用程序進行制作或修改。把制作好的應用程序下載到移動終端設備上后，打開應用程序就會提示使用者連接到指定WIFI。當連接成功后，應用程序的主界面就會顯示建筑內各處的圖像，主界面上的圖像可通過移動設備的觸摸屏進行觸點。

4 結束語

室內無地圖導航系統是集視覺跟蹤和嵌入式系統為一體的自主機器人，該機器人具有低功耗、低成本、獨立性強、方便維護、靈活易控的優點，可以實現導航定位、自主避障、無線通信等功能，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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