技術(shù)專場:壓力傳感觸控技術(shù)的智能地板方案
發(fā)布時間:2015-03-09 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】本文設(shè)計了一種智能地板,并基于該地板構(gòu)建了一個定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了通過PC機(jī)LabVIEW軟件和Android手機(jī)軟件查看智能地板上物體位置和運(yùn)動路徑信息的功能。本定位系統(tǒng)最大定位絕對誤差在2 cm內(nèi),且具有環(huán)境魯棒性好、無負(fù)擔(dān)性等優(yōu)點(diǎn)。
室內(nèi)定位系統(tǒng)(Indoor Positioning System,IPS)是普適計算中的重要內(nèi)容。隨著智能終端的普及、移動互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨,復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位與導(dǎo)航的需求日益增大,同時,IPS在公共安全、移動電子商務(wù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)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、地磁場等。采用單一定位技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)都存在一定的缺陷,如負(fù)擔(dān)性強(qiáng)、擴(kuò)展性和魯棒性差、定位精度低、響應(yīng)時間長等。因此,多種定位技術(shù)融合是IPS的一個發(fā)展方向。
壓力傳感觸控技術(shù)(Force Based Touch Sereen Technology)zTouch來自于美國F-Origin公司。該技術(shù)的原理是在剛性面板的四周角落處設(shè)置多個壓力傳感器,通過傳感器感知用戶在面板上觸摸或做手勢產(chǎn)生的垂直于面板的壓力,根據(jù)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(qiáng)、無負(fù)擔(dān)性以及三維信息感知、定位精度高等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于IPS可彌補(bǔ)其他定位技術(shù)的不足。目前,國外有多家機(jī)構(gòu)正在研究基于該技術(shù)的定位系統(tǒng),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(shè)計了一種智能地板,并采用該地板構(gòu)建了一小型定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用16個壓力傳感器和4塊地板構(gòu)建定位平臺,實(shí)現(xiàn)對平臺上運(yùn)動小車的定位和路徑顯示,并能通過LabVIEW軟件和Android終端查看小車位置信息。
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(jié)構(gòu)。四支點(diǎn)定位模型如圖1所示。
圖1 四支點(diǎn)定位模型
在圖1所示的模型中,Si(i=1,2,3,4)表示第i個壓力傳感器。在P平面的二維坐標(biāo)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(biāo)為(xi,yi),4個接觸點(diǎn)構(gòu)成的矩形區(qū)域(虛線框內(nèi))稱為定位區(qū)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(jù)四支點(diǎn)平面物體重心位置計算公式,式(1)~(3)成立。
根據(jù)式(1)~(3),可計算出力F的位置,從而實(shí)現(xiàn)定位。
[page]
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)本研究的實(shí)驗條件,構(gòu)建了一個針對小車的定位演示系統(tǒng)。系統(tǒng)由定位平臺、定位對象(小車)、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)、Android監(jiān)視終端組成。當(dāng)定位對象在定位平臺上靜止或運(yùn)動時,通過分析傳感器的數(shù)據(jù)計算出其在物理空間中的絕對位置坐標(biāo)(X,Y),該位置屬性經(jīng)過映射,反映在上位機(jī)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(gòu)建虛擬場景,并可為移動終端提供位置查詢和導(dǎo)航的服務(wù)。定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
圖2 定位系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)采用USB-6259(BNC)采集定位平臺傳感器的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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,滿足系統(tǒng)要求。
定位系統(tǒng)可分為3個模塊:
①定位顯示模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)端的LabVIEW平臺下,實(shí)時顯示小車在定位平臺的絕對位置及運(yùn)動路徑。
②運(yùn)動控制模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過LabVIEW程序控制小車的運(yùn)動,通過藍(lán)牙傳送控制指令,達(dá)到非接觸移動小車的目的,同時防止接觸方式產(chǎn)生的側(cè)向力對定位精度的影響。
③遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過Android手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視小車的位置,PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)向遠(yuǎn)程終端廣播小車的位置信息。
2.2 定位平臺的設(shè)置
定位平臺由16個傳感器和4塊玻璃板組成,總面積為70×70 cm2,分為4個單元。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,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(tǒng)采用的放大器為AD623。
為確保定位的準(zhǔn)確,定位平臺需要調(diào)平。當(dāng)定位平臺不平時,即當(dāng)傳感器高度不一致,在圖1所示的四支點(diǎn)定位模型中可能會有1或2個支點(diǎn)處于不受力的懸空狀態(tài),即“虛腿”現(xiàn)象。“虛腿”現(xiàn)象將改變四支點(diǎn)平臺力的分布,從而不能應(yīng)用四支點(diǎn)公式求重心位置。周祖濂通過數(shù)學(xué)模型證明了在四支點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的四個支點(diǎn)能夠同時受力,即“虛腿”現(xiàn)象可以通過調(diào)平來避免。
四支點(diǎn)平臺的簡單調(diào)平通常采用向最高支撐靠攏的方法,即通過墊片調(diào)節(jié)4個支點(diǎn)中高度較低的3個,使其與最高支點(diǎn)高度一致從而調(diào)平臺面。本系統(tǒng)通過在傳感器下墊紙片的方法調(diào)平定位平臺。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)上位機(jī)開發(fā)平臺采用NI公司推出的LabVIEW 2013。設(shè)計的軟件界面如圖3所示。
圖3 軟件界面
[page]
3.1 定位顯示模塊
定位顯示模塊的輸入為16個壓力傳感器的數(shù)據(jù),經(jīng)過濾波和計算,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(biāo)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。
圖4 定位顯示流程
3.2 運(yùn)動控制模塊
運(yùn)動控制模塊是通過在PC機(jī)和小車間建立藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)的。不具備藍(lán)牙功能的PC機(jī)可通過藍(lán)牙適配器和BlueSoleil軟件實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能,小車端通過UART接口連接一藍(lán)牙透傳模塊,此時,PC機(jī)端和小車端建立了虛擬串口連接,LabVIEW端通過VISA串口通信編程實(shí)現(xiàn)向小車發(fā)送運(yùn)動指令。本模塊可完成對小車的速度控制以及前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止5種運(yùn)動狀態(tài)控制。
3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊
遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊中,PC機(jī)為位置管理服務(wù)器,Android終端為客戶機(jī),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分布式Publisher-Subscriber模式,PC機(jī)為所有注冊的Android終端提供位置查詢服務(wù)。
遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊采用了跨平臺網(wǎng)絡(luò)通信插件SCCT。SCCT(Smart Phone&Cross-Plat-form Communication Toolkit,智能手機(jī)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言的開發(fā)包,用于多種平臺與LabVIEW平臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SCCT支持的操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、iOS、Android、Phone7,支持的編程語言包括LabVIEW、Java、C、Object C、.NET和Javascript(HTML5)。本系統(tǒng)中,LabVIEW端采用SCCTPublisher Library提供的VI實(shí)現(xiàn)驗證請求連接的訂閱者身份、檢查連接狀態(tài)、廣播數(shù)據(jù)至所有活動狀態(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(xiàn)發(fā)送請求至發(fā)布者、接收數(shù)據(jù)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(gòu)如圖6所示。
圖6 Android端軟件架構(gòu)
[page]
4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析
Android手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)視界面如圖7所示。
圖7 Android手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)視界面
經(jīng)測試,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對小車的定位顯示、運(yùn)動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能。
在定位精度的測試中,在平臺上畫有位置參照網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長為1 cm。在定位平臺上隨機(jī)選取10個測試點(diǎn),在每個點(diǎn)處施加壓力,測量6次,記錄軟件計算出的坐標(biāo),并與實(shí)際網(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)行比較。在數(shù)據(jù)分析過程中,定義以下概念:
①偏差Xp、Yp。假設(shè)在物理平臺上測試點(diǎn)的網(wǎng)格坐標(biāo)取值范圍為X∈[a,b],Y∈[c,d](a、b、c、d為非負(fù)整數(shù),b-a=d-c=1,單位為cm)通過軟件求得的坐標(biāo)為(x,y),定義偏差Xp、Yp:
式中,MAX()為最大值;Pi為第i個測試點(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(nèi)。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(nèi)。
結(jié)語
本文設(shè)計了一種智能地板,并基于該地板構(gòu)建了一個定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了通過PC機(jī)LabVIEW軟件和Android手機(jī)軟件查看智能地板上物體位置和運(yùn)動路徑信息的功能。本定位系統(tǒng)最大定位絕對誤差在2 cm內(nèi),且具有環(huán)境魯棒性好、無負(fù)擔(dān)性等優(yōu)點(diǎn),與其他定位技術(shù)結(jié)合,可彌補(bǔ)現(xiàn)有室內(nèi)定位系統(tǒng)的不足。此外,本智能地板還可用于重點(diǎn)區(qū)域安防、隱私保護(hù)下的監(jiān)控等場合。
特別推薦
- 復(fù)雜的RF PCB焊接該如何確保恰到好處?
- 電源效率測試
- 科技的洪荒之力:可穿戴設(shè)備中的MEMS傳感器 助運(yùn)動員爭金奪銀
- 輕松滿足檢測距離,勞易測新型電感式傳感器IS 200系列
- Aigtek推出ATA-400系列高壓功率放大器
- TDK推出使用壽命更長和熱點(diǎn)溫度更高的全新氮?dú)馓畛淙嘟涣鳛V波電容器
- 博瑞集信推出低噪聲、高增益平坦度、低功耗 | 低噪聲放大器系列
技術(shù)文章更多>>
- 如何選擇和應(yīng)用機(jī)電繼電器實(shí)現(xiàn)多功能且可靠的信號切換
- 基于APM32F411的移動電源控制板應(yīng)用方案
- 數(shù)字儀表與模擬儀表:它們有何區(qū)別?
- 聚焦制造業(yè)企業(yè)貨量旺季“急難愁盼”,跨越速運(yùn)打出紓困“連招”
- 選擇LDO時的主要考慮因素和挑戰(zhàn)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
光收發(fā)器
光通訊器件
光纖連接器
軌道交通
國防航空
過流保護(hù)器
過熱保護(hù)
過壓保護(hù)
焊接設(shè)備
焊錫焊膏
恒溫振蕩器
恒壓變壓器
恒壓穩(wěn)壓器
紅外收發(fā)器
紅外線加熱
厚膜電阻
互連技術(shù)
滑動分壓器
滑動開關(guān)
輝曄
混合保護(hù)器
混合動力汽車
混頻器
霍爾傳感器
機(jī)電元件
基創(chuàng)卓越
激光二極管
激光器
計步器
繼電器