基于智慧校园的巡逻机器人导航定位技术研究.pdf
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1、第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023基金项目:江苏高校哲学社会科学研究一般项目;项目编号:2022SJYB2139。作者简介:施鹏(1984),女,江苏扬州人,讲师,硕士;研究方向:信号与信息处理。基于智慧校园的巡逻机器人导航定位技术研究施 鹏,朱武胜(扬州大学广陵学院,江苏 扬州 225000)摘要:在智慧校园的大环境下,文章设计了一款基于 GPS 导航技术的自动巡逻校园机器人。巡逻机器人以 STM32 为主控芯片,由电源电路、GPS 模块、陀螺仪模块、数据存储模块、电机舵机控制电路组成。本
2、设计首先将 GPS 模块获取的经纬度数据存储在数据存储模块中,然后使用陀螺仪模块得到航向角作为 GPS 的辅助,获取实时航向信息,最终得出巡逻机器人的运动轨迹。文章经实验验证满足设计要求,实现了机器人自动巡逻的功能。关键词:STM32;GPS;校园巡逻机器人中图分类号:TH16;TP242 文献标志码:A0 引言 高校智慧校园的飞速发展,推动了信息技术与教育教学的深度融合,提升了高等学校信息化建设与应用的水平1-2。校园巡逻机器人具有自主性、地址感知能力和视觉感知技术等高科技特点,为校园安保带来了更加智能化、高效化、低成本的解决方案,也成为未来校园安保的新方向。因此,校园巡逻机器人的研究成为当
3、前机器人领域中备受关注的重点领域之一3-5。张淑清等6提出了一种基于多层代价地图的机器人全覆盖视觉导航方法,按照行人参数的变化,有效控制机器人的运动姿态,实现了高质量机器人全覆盖视觉的导航任务。刘晓飞7针对野外环境复杂多变、定位困难等问题,采用 GPS、激光雷达及视觉传感器等多数据信息,依据各自的特点进行数据整合融合实现定位导航。李红双等8利用北斗定位系统的定位和辅助定位系统的相关数据对位置信息进行精确校准,得到巡逻机器人的准确位置信息,实现校园机器人的巡逻功能。1 巡逻方案的提出 图像识别的循线方案易受外部环境的影响,激光雷达发射的激光束因存在一定的时间差或数据传输延迟会导致运动畸变。因此,
4、本文选用 GPS 全球定位导航系统作为本设计的路线规划传感器。GPS 全球定位导航系统具有高精度定位、全球覆盖、实时更新的特点。本设计首先对目标路线的经纬度坐标进行采点,离散化目标路线,将坐标信息存储在数据存储模块中,然后通过 GPS 模块获得机器人的当前经纬度坐标,辅以陀螺仪得到实时航向,求出当前位置与目标位置的偏差,最后控制小车不断修正方位到达目标位置,实现机器人的校园巡逻路径方案设计。2 总体设计方案 本设计使用 STM32F103ZET6 微控制器作为主控芯片,主要由用于获取当前位置经纬度坐标信息的GPS 模块,用于获取机器人当前的航向陀螺仪模块,用于保存 GPS 获得的经纬度数据的数
5、据存储模块,用于控制机器人运动状态的电机舵机控制电路以及电源模块组成。硬件电路总体设计如图 1 所示。图 1 硬件电路总体设计2.1 底盘结构 机器人底盘由带有两个霍尔编码器电机、一个转向舵机的四轮小车构成。两个后轮各自由一个含有编码器的直流电机驱动,为小车提供动力。两个前轮由一个拉杆连接在一起,连接一个舵机带动拉杆实现对小车左右转向的控制。其中两个后轮电机上的霍尔编码器,可以通过同时采集编码器 AB 相输出脉冲的上升沿和下降沿,获取电机的实际转速,实现对机器人车速的 PID 控制。2.2 定位传感器模块 GPS 模块选择的是 NEO-M8N 模块。NEO-M8N能够同时接收 GLonASS
6、和 BeiDou,适用于即使在GPS 信号差的环境下都需要高的可用性和准确性的高性能应用。MPU6050 为一种能测定芯片自身 X轴、Y 轴、Z 轴的加速度,以及角速度参数的六轴位姿传感器。系统以 NEO-M8N 模块获取机器人实时定位,同时加入 MPU6050 六轴陀螺仪作为辅助定位。由于在机器人运动时电机的震动导致 MPU6050 的偏航角出现飘移现象,GPS 在机器人长时间稳定运行之后获得26第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023的航向是稳定的,但是更新频率慢,因此对 GPS 获得的航向与陀螺仪偏航角进行互补滤波,将滤波之后的值作为航向
7、。3 软件设计 软件总体设计如图 2 所示,由 GPS 导航模块、陀螺仪模块、数据存储模块、运动控制模块组成。图 2 软件程序总体设计3.1 各模块程序设计思路3.1.1 数据存储程序模块 将 GPS 获取得到的位置信息存入到单片机内部FLASH 中,保证数据在掉电情况下不丢失。对内部FLASH 的写入过程包括:解锁、页擦除和写入数据 3个步骤。3.1.2 陀螺仪程序模块 单片机通过 I2C 通信协议与陀螺仪进行通信,将陀螺 仪 中 获 取 到 的 原 始 数 据 读 出,然 后 通 过MPU6050 内置的 DMP 模块,采用四元数法将原始数据解算为可用的横滚角、俯仰角、偏航角。3.1.3
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