基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內定位地板

引言

室內定位系統(Indoor Positioning System，IPS)是普適計算中的重要內容。隨著(zhù)智能終端的普及、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，復雜室內環(huán)境下的定位與導航的需求日益增大，同時(shí)，IPS在公共安全、移動(dòng)電子商務(wù)等領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用。目前，IPS采用的定位技術(shù)主要包括RFID、Bluetooth、WiFi、UWB、ZigBee、光學(xué)、超聲波、紅外線(xiàn)、地磁場(chǎng)等。采用單一定位技術(shù)的室內定位系統都存在一定的缺陷，如負擔性強、擴展性和魯棒性差、定位精度低、響應時(shí)間長(cháng)等。因此，多種定位技術(shù)融合是IPS的一個(gè)發(fā)展方向。

壓力傳感觸控技術(shù)(Force Based Touch Sereen Technology)zTouch來(lái)自于美國F—Origin公司。該技術(shù)的原理是在剛性面板的四周角落處設置多個(gè)壓力傳感器，通過(guò)傳感器感知用戶(hù)在面板上觸摸或做手勢產(chǎn)生的垂直于面板的壓力，根據各點(diǎn)傳感器受力不同進(jìn)行定位。該技術(shù)具有環(huán)境魯棒性好、持久性強、無(wú)負擔性以及三維信息感知、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，應用于IPS可彌補其他定位技術(shù)的不足。目前，國外有多家機構正在研究基于該技術(shù)的定位系統，如英國蘭卡斯特大學(xué)的Weight Lab、英國謝菲爾德哈勒姆大學(xué)和德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Smart Floor等。

本文基于壓力傳感觸控技術(shù)設計了一種智能地板，并采用該地板構建了一小型定位系統。系統采用16個(gè)壓力傳感器和4塊地板構建定位平臺，實(shí)現對平臺上運動(dòng)小車(chē)的定位和路徑顯示，并能通過(guò)LabVIEW軟件和Android終端查看小車(chē)位置信息。

1 定位原理

壓力傳感觸控定位技術(shù)的基本單元由1塊剛性面板和4個(gè)壓力傳感器組成，壓力傳感器分布于剛性面板的四角處，形成一四支點(diǎn)結構。四支點(diǎn)定位模型如圖1所示。

在圖1所示的模型中，Si(i=1，2，3，4)表示第i個(gè)壓力傳感器。在P平面的二維坐標系中，記Si與P平面的接觸點(diǎn)(或接觸面的中心點(diǎn))的坐標為(xi，yi)，4個(gè)接觸點(diǎn)構成的矩形區域(虛線(xiàn)框內)稱(chēng)為定位區D。在D中任一點(diǎn)(x，y)處施加一垂直于P平面的力F，令Fi表示Si受到的F的分壓力，根據四支點(diǎn)平面物體重心位置計算公式，式(1)～(3)成立。

根據式(1)～(3)，可計算出力F的位置，從而實(shí)現定位。

2 系統結構設計

2.1 系統設計

根據本研究的實(shí)驗條件，構建了一個(gè)針對小車(chē)的定位演示系統。系統由定位平臺、定位對象(小車(chē))、數據采集卡、PC機、Android監視終端組成。當定位對象在定位平臺上靜止或運動(dòng)時(shí)，通過(guò)分析傳感器的數據計算出其在物理空間中的絕對位置坐標(X，Y)，該位置屬性經(jīng)過(guò)映射，反映在上位機位置管理服務(wù)器(LabVIEW軟件)的虛擬地圖中。位置管理服務(wù)器可以構建虛擬場(chǎng)景，并可為移動(dòng)終端提供位置查詢(xún)和導航的服務(wù)。定位系統構成如圖2所示。

本系統采用USB-6259(BNC)采集定位平臺傳感器的數據。USB-6259(BNC)是美國NI公司生產(chǎn)的一款高速、多功能M系列的數據采集卡，提供有16路模擬輸入通道，其最高采樣率為1.25 Ms/s，采樣精度為16位，滿(mǎn)足系統要求。

定位系統可分為3個(gè)模塊：

①定位顯示模塊。該模塊實(shí)現在PC機端的LabVIEW平臺下，實(shí)時(shí)顯示小車(chē)在定位平臺的絕對位置及運動(dòng)路徑。

②運動(dòng)控制模塊。該模塊實(shí)現通過(guò)LabVIEW程序控制小車(chē)的運動(dòng)，通過(guò)藍牙傳送控制指令，達到非接觸移動(dòng)小車(chē)的目的，同時(shí)防止接觸方式產(chǎn)生的側向力對定位精度的影響。

③遠程監視模塊。該模塊實(shí)現通過(guò)Android手機遠程監視小車(chē)的位置，PC機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向遠程終端廣播小車(chē)的位置信息。

2.2 定位平臺的設置

定位平臺由16個(gè)傳感器和4塊玻璃板組成，總面積為70×70 cm2，分為4個(gè)單元。傳感器采用輪輻式壓力傳感器(型號為BK-4)。傳感器自身集成有電橋，對外有4條引線(xiàn)，分別為電源Vbg、GND、信號+和信號-。由于傳感器輸出的信號微弱(μV～mV級)，因此需要對信號進(jìn)行放大。本系統采用的放大器為AD623。

為確保定位的準確，定位平臺需要調平。當定位平臺不平時(shí)，即當傳感器高度不一致，在圖1所示的四支點(diǎn)定位模型中可能會(huì )有1或2個(gè)支點(diǎn)處于不受力的懸空狀態(tài)，即“虛腿”現象。“虛腿”現象將改變四支點(diǎn)平臺力的分布，從而不能應用四支點(diǎn)公式求重心位置。周祖濂通過(guò)數學(xué)模型證明了在四支點(diǎn)結構中的四個(gè)支點(diǎn)能夠同時(shí)受力，即“虛腿”現象可以通過(guò)調平來(lái)避免。

四支點(diǎn)平臺的簡(jiǎn)單調平通常采用向最高支撐靠攏的方法，即通過(guò)墊片調節4個(gè)支點(diǎn)中高度較低的3個(gè)，使其與最高支點(diǎn)高度一致從而調平臺面。本系統通過(guò)在傳感器下墊紙片的方法調平定位平臺。

3 系統軟件設計

本系統上位機開(kāi)發(fā)平臺采用NI公司推出的LabVIEW 2013。設計的軟件界面如圖3所示。

3.1 定位顯示模塊

定位顯示模塊的輸入為16個(gè)壓力傳感器的數據，經(jīng)過(guò)濾波和計算，輸出為定位平臺上物體重心的位置。位置顯示方式包括文本坐標和二維圖片，路徑顯示方式為XY圖。定位顯示流程如圖4所示。

3.2 運動(dòng)控制模塊

運動(dòng)控制模塊是通過(guò)在PC機和小車(chē)間建立藍牙通信實(shí)現的。不具備藍牙功能的PC機可通過(guò)藍牙適配器和BlueSoleil軟件實(shí)現藍牙功能，小車(chē)端通過(guò)UART接口連接一藍牙透傳模塊，此時(shí)，PC機端和小車(chē)端建立了虛擬串口連接，LabVIEW端通過(guò)VISA串口通信編程實(shí)現向小車(chē)發(fā)送運動(dòng)指令。本模塊可完成對小車(chē)的速度控制以及前進(jìn)、后退、左轉、右轉、停止5種運動(dòng)狀態(tài)控制。

3.3 遠程監視模塊

遠程監視模塊中，PC機為位置管理服務(wù)器，Android終端為客戶(hù)機，網(wǎng)絡(luò )架構采用分布式Publisher-Subscriber模式，PC機為所有注冊的Android終端提供位置查詢(xún)服務(wù)。

遠程監視模塊采用了跨平臺網(wǎng)絡(luò )通信插件SCCT。SCCT(Smart PhoneCross-Plat-form Communication Toolkit，智能手機跨平臺通信包)是由T4SM(Tools for Smart Minds Software Solutions)公司研發(fā)的、支持多種平臺和編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)包，用于多種平臺與LabVIEW平臺之間進(jìn)行數據通信。SCCT支持的操作系統包括Windows、Linux、iOS、Android、Phone7，支持的編程語(yǔ)言包括LabVIEW、Java、C、Object C、.NET和Javascript(HTML5)。本系統中，LabVIEW端采用SCCTPublisher Library提供的VI實(shí)現驗證請求連接的訂閱者身份、檢查連接狀態(tài)、廣播數據至所有活動(dòng)狀態(tài)的訂閱者以及接收訂閱者請求的功能，Android端采用SCCT Subscriber Library提供的API實(shí)現發(fā)送請求至發(fā)布者、接收數據并提交至界面進(jìn)行顯示等功能。

LabVIEW端信息發(fā)布程序框圖如圖5所示。Android端的軟件架構如圖6所示。

4 系統測試與結果分析

系統測試場(chǎng)景如圖7所示。

Android手機端遠程監視界面如圖8所示。

經(jīng)測試，本系統實(shí)現了對小車(chē)的定位顯示、運動(dòng)控制和遠程監視的功能。

在定位精度的測試中，在平臺上畫(huà)有位置參照網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(cháng)為1 cm。在定位平臺上隨機選取10個(gè)測試點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)處施加壓力，測量6次，記錄軟件計算出的坐標，并與實(shí)際網(wǎng)格坐標進(jìn)行比較。在數據分析過(guò)程中，定義以下概念：

①偏差Xp、Yp。假設在物理平臺上測試點(diǎn)的網(wǎng)格坐標取值范圍為X∈[a，b]，Y∈[c，d](a、b、c、d為非負整數，b-a=d-c=1，單位為cm)通過(guò)軟件求得的坐標為(x，y)，定義偏差Xp、Yp：

式中，MAX()為最大值;Pi為第i個(gè)測試點(diǎn)的定位偏差(cm)。

經(jīng)測試，P=0.6 cm，D=1.8 cm。因此，單塊智能地板的定位絕對誤差在2 cm內。在智能地板特性不變的前提下，由多塊智能地板拼成的更大面積定位空間的定位絕對誤差也在2 cm內。

結語(yǔ)

本文設計了一種智能地板，并基于該地板構建了一個(gè)定位系統，實(shí)現了通過(guò)PC機LabVIEW軟件和Android手機軟件查看智能地板上物體位置和運動(dòng)路徑信息的功能。本定位系統最大定位絕對誤差在2 cm內，且具有環(huán)境魯棒性好、無(wú)負擔性等優(yōu)點(diǎn)，與其他定位技術(shù)結合，可彌補現有室內定位系統的不足。此外，本智能地板還可用于重點(diǎn)區域安防、隱私保護下的監控等場(chǎng)合。