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）進行定位，地磁和磁場傳感器GY-273進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行路徑記憶、附加指南針進行方位準確定位，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行二重積分獲得機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行路徑記憶，附加指南針進行方位的準確定位，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，當三個參數(shù)恰好是上面的數(shù)值時候，小車可以走直線。

當小車到達終點時，計算出終點和初始點相對的角度，以便于準確定位;利用MDK中的MATH庫進行數(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進行通信;IZC接口與GY-273進行通信，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對路徑進行實時記錄，采樣時間為0.2s，將數(shù)據(jù)準確計算后存儲在靜態(tài)存儲器中;GY-271測出準確的偏離角度，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;當藍牙HC-05發(fā)送歸位信號時，小車通過歸位算法進行歸位，在歸位的過程中進行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)進行測量，分別測量四組數(shù)據(jù)進行分析和算法修正，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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