一种可见光通信的定位机器人设计_丁新民.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 一种可见光通信的定位机器人设计丁新民，贺文强，罗中华（深圳康佳电子科技有限公司 多媒体研发中心，深圳 ）基金项目：深圳市科技创新委员会资助项目（）。摘要：目前的定位技术主要是基于全球定位系统（）的室外定位技术，如果在室内，的误差会比较大。传统方式采用摄像头采集图像，通过算法进行定位，但是其成本高，应用比较复杂，因此本文设计了一款基于可见光通信的定位机器人，采用 系统进行开发，通过可见光通信获取位置，通过光照传感器得到靠近或者远离目标的位置，最终实现在室内进行定位。关键词：光通信；光定位；机器人；中图分类号：文献标识码：，（，）：（），：；引言可见光通信真正进入人们视野是在 年日本庆应义塾大学中川实验室使用 进行可见光 数 据 传 输。年宾夕法尼亚州立大学的研究人员将电力线和白光 相结合。年西门子和赫兹通信研究所人员展示可见光 的传输速度。年 演示可见光传输高清视频。年我国科学家创造了可见光通信 的实时速率世界纪录。年月在圣地亚哥举行的光纤通信会议和展览上把可见光通信 正式提上日程。本文利用可见光通信的优点（广泛性、宽频谱、低成本、高保密性、无电磁污染、频谱无需授权等）进行机器人定位。可见光通信定位的理论基础 光照强度理论分析可见光通信是一种由光源发出的信号，因此理论上可以通过发光强度与发射功率的关系进一步计算出距离。发光强度可以表示为：式中，为光通量，空间单位立体角，可由能量流给出：（）（）式中，（）是标准的发光曲线，为最大能见度，发光强度单位为坎德拉。发光功率 表示发光二极管辐射的总能量，为在各个方向上的积分：式中，与由发光二极管的敏感度决定。假设作为发送端光源的 符合朗伯体（）辐射模型，按 规律发射光通量，其发光模型如下：（）（）年第期 式中，是光功率的福射角度，当时光功率达到最大；为表示光波束方向性的朗伯体阶数，为设置的固定值，光照度单位为勒克斯（），通常被照物体上任一点的照度可表示为：（）（）式中，（）为 中心点的发光强度，和别为辐射角与接收角，为 到接收端的传输距离。通过上述光照基本理论即可确定光强与有效的光通信距离的关系，从而为 的选材奠定了理论基础。基于可见光定位算法的简述可见光定位算法主要运用光携带信息进行判断在其中一个可见光 范围内不同光照强度与距离的相关性。具体流程是前期为每一盏 光源确定一个，把它们建立在地图上。当机器人到达该 光源下面时，接收 光源传送过来的 信息，首先接收器将接收到图定位流程的信息进行解调，与机器人本身存储的地图坐标进行比较，然后确定机器人位置，然后利用光照强度与距离的关系进一步确认在该 下面机器人的具体运动状态（如是靠近 坐标、远离 坐标或者是在 光源正下方）。图所示为可见光定位算法的流程步骤。可见光定位机器人的软件与硬件设计 系统软件概述 工作空间 需要在工作空间的环境下运行，工作空间简单来说就是一个文件夹，里面装载了 的工程项目，其中包括个文件夹：、。在工作空间下的个文件夹中，文件夹是需要重点理解的。其中功能包就是放在 路径下的，如图所示。图工作空间 结构 中有一些很重要的基础概念：节点、节点管理器、工作空间、功能包等。理解基础概念对后续 的学习有很大的帮助。节点（）：在机器人系统中，需要同时实现多个功能，例如若想让机器人实现跟踪射击，则可以拆分成镜头跟踪、调整枪的位置、开枪射击。那么这里就需要个节点，每一个节点实现一个功能，每个节点对应功能包中一个可执行文件。节点管理器（）：节点通过节点管理器报告注册信息，只有通过节点管理器，节点和节点之间才能建立起联系。只有通过节点管理器注册，才能实现后续节点间的通信。工作空间（）：简单来说工作空间是一个文件夹，用于存放工程开发的相关文件。类似使用 这个 开发 时，会有一个工程文件，文件下包含头文件、编译过程生成的文件、源码等。功能包（）：功能包是放置源码的最小单元，源码（文件或者 文件）必须放在功能包里面，功能包的路径一定要在 的路径下。除了源码文件，功能包还可以放置 的 头文件、文件、参数文件、地图文件等。节点程序设计流程本文主要采用作为程序设计语言，完成整个光通信定位机器人的软件设计。首先通过远程 启动机器人，启动后机器人处于开机状态（各个模块进行初始化动作），随时接收远程命令开始移动。通过 远程设置目标 编号，此时会出现几条路径供用户选择，用户合理选择后，机器人开始移动，沿着设置的每一个 编号位置出发。如果机器人在行进过程中遇到障碍，那么自带的激光导航传感器会将 扫描的点位图发送给机器人，使其绕过路径中的障碍物。在机器人行驶到相关 灯下或者附近时，灯通过光通信的方式传输 的编号位置。机器人通过解调光信息得到该光源下面的坐标编号，然后与机器人的地图编号对比，规划之后的运动方向以及运动速度。在多次接收信号且进行对比后到达目标地点。光通信定位机器人的流程图设计如图所示。可见光定位机器人硬件设计 电源模块电源模块原理图如图所示，电压为 的电池为机器人供电，在电源启动后通过 稳压芯片将电源稳压成，其带有内部电源的降压调节器 ，实现了连续输出以上电流的输入供电范围，具有优良的负载和线路监管。输出端通过 滤波电路将电源中的干扰去除，使得电源不会扰动后面的元器件。在此基础上增加了 采样电阻，通过采样的方式可以准确得到电源电压，为后续机器人电源管理提供数据。敬请登录网站在线投稿（）年第期 图光通信定位机器人的流程图图电源模块原理图 电机驱动模块电机驱动模块主要采用两颗 芯片，分别负责左右两侧个电机，如图所示，是一种用于直流电机的驱动，其输出晶体管采用 结构，具有低电阻。两个输入信号 和 可以选择种模式（、短制动和停止）中的一种。通过电源的输入电压来驱动个电机。光信号强度检测电路该电路主要对接收到的 光源进行强度检测，采用 光敏晶体管。图电机驱动模块原理图如图所示，端输出数字信号。端输出模拟信号，接在光敏晶体管上方，随着光照增加，光敏晶体管上的阻抗减小，上的电压降低，当光照强度减弱时，电压会升高。利用光敏晶体管的这种特性，灯中心光照强度最大，电压数值最小，随着远离 灯中心，电压呈现 （）倍数的衰减。结语本文研究的可见光室内定位装置机器人，让室内作业变得简单、高效，符合未来发展趋势。本设计根据接收端光电传感器非理想线性的特点对不同频率的光照进行拟合，计算出定位所需要的光照度信息，得到位置坐标，最后图光信号强度检测电路原理图 敬请登录网站在线投稿（）年第期 到了明显的均衡控制效果。电动汽车电池组 估算精度测试基于电池充、放电实验，先求得、和、，可验证基于组合模型的扩展隔离森林滤波算法估计及修正电动汽车电池 估算表值的精度。首先，采用传统的开路电压法或卡尔曼滤波算法对电动汽车电池组各时刻 值进行计算，并将其作为真实的电池 ，然后再基于扩展隔离森林滤波算法进行实验数据仿真，分别获得两种不同算法模型下的电池 随时间变化的估算值动态曲线，如图所示。图恒流间歇性放电试验 滤波估计值对比曲线图上述测试结果表明，应用传统的开路电压法或卡尔曼滤波算法对电动汽车电池组各时刻 值进行估算的误差逐渐趋于增大，最大误差，而基于改进组合模型的扩展隔离森林滤波算法估计及修正电动汽车电池 估算表值精度误差始终保持在之内，完全满足基于物联网的电动汽车电池管理智能解决管理高精度估算要求。结语本文提出的基于物联网的电动汽车锂电池组管理智能解决方案和系统兼备动态检测、安全报警、实时计算 、通信和信息显示等功能，能实时采样、处理、存储电池组运行重要参数，判断锂电池组是否有过充、过放与过流等异常，并及时采取保护措施，通过“均衡控制”确保了电池组内单体电池电压间的一致性。此外，提出一种基于传统卡尔曼滤波改进算法的新型扩展隔离森林滤波修正算法，能精确估算电池组剩余电量。所提管理调度方案以其较高的算法验证检测精度与估算精度，解决了电动汽车锂电池组系工作运行中的可用性、安全性等关键问题，不同工况下的测试结果均证实了该方案的有效性。参考文献王丽君，颜佳，韩涛，等 车联网协作通信移动接入点选择算法 华中科技大学学报，（）：，陈卓，李二海基于物联网的电动汽车电池 系统自动测试研究自动化与仪器仪表，（）：陈天英，侯仰军，栗会峰，等 基于 的电动汽车电池管理系统建立及 精准估计河北电力技术，（）：，杨小兵，耿大伟，孙伟纯电动汽车电池热管理关键技术集成开发 第十七届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集，：田晟，裴锋，李拾成 纯电动汽车上下电及电池管理系统故障控制策略华南理工大学学报，（）：朱春波电动汽车电池管理系统关键核心技术的研究与应用 哈尔滨：哈尔滨工业大学，乔旭彤，耿海洲，董峰集中式电动汽车电池管理系统设计电子测量与仪器学报，（）：朱京蓥，姜帆，王凤弟基于 安全模块的电动汽车电池管理系统电子技术应用，（）：宋德鹏，万晓凤 总线在纯电动汽车整车控制及电池管理系统中的应用 ，：费维科（讲师），主要研究方向为控制工程、物联网工程技术；刘振华（教授），主要研究方向为高等教育、信息工程。通信作者：费维科，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）机器人前往该指定坐标点。参考文献迟楠 可见光通信关键器件与应用北京：人民邮电出版社，：关伟鹏，文尚胜，胡卉馨，等基于双重调制技术的可见光通信系统研究光电子激光，（）：关伟鹏，文尚胜，黄伟明，等基于神经网络的可见光通信接收系统的研究中国激光，（）：通信作者：罗中华，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）