張義群，程樹(shù)英（福州大學(xué)　微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建　福州 350108）

基于路徑規(guī)劃的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

張義群，程樹(shù)英
（福州大學(xué)微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建福州 350108）

基于S3C2440嵌入式處理器的自主移動(dòng)智能小車(chē)系統(tǒng)能在安卓客戶(hù)端發(fā)送目的地位置信息后，完成路徑規(guī)劃并自動(dòng)避障。處理器將小車(chē)上搭載的功能傳感器所采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息反饋到客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)質(zhì)量狀況（實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、溫度、濕度和煙霧指數(shù)）的動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，并于定點(diǎn)位置安裝功能傳感器，采用 ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)交互，進(jìn)而反饋到客戶(hù)端。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)電量不足時(shí)，在自動(dòng)充電單元控制下自動(dòng)完成充電過(guò)程。測(cè)試結(jié)果表明，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的實(shí)時(shí)性。

S3C2440；嵌入式；自主移動(dòng)；路徑規(guī)劃；自動(dòng)充電；環(huán)境監(jiān)測(cè)

0　引言

目前市場(chǎng)上的環(huán)境監(jiān)控?cái)z像頭大多采用定點(diǎn)安裝，通過(guò)攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)采集室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)情況，其不足在于不僅存在監(jiān)視死角，且需要多個(gè)定點(diǎn)安裝［1］；而對(duì)于室內(nèi)的溫度、濕度和煙霧環(huán)境質(zhì)量狀況的監(jiān)測(cè)則是通過(guò)定點(diǎn)安裝傳感器來(lái)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而反映出環(huán)境質(zhì)量的實(shí)時(shí)狀況。因此，該方案需要定點(diǎn)安裝數(shù)量不少的攝像頭和傳感器，極大地浪費(fèi)了人力物力［2］。雖然國(guó)內(nèi)外已有采用基于路徑規(guī)劃算法［3］（大多采用的是蟻群算法、遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）的機(jī)器人來(lái)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境以及監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，然而這些算法具有一定的復(fù)雜性，并且與起點(diǎn)位置和障礙分布有關(guān)，可能造成路徑迂回。

本設(shè)計(jì)基于導(dǎo)航組件，對(duì)使用智能小車(chē)作為載體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃；采用超聲波測(cè)距模塊自動(dòng)避障；當(dāng)智能小車(chē)電量不足時(shí)，可在自動(dòng)充電單元的控制下自動(dòng)完成充電過(guò)程。從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的自主移動(dòng)監(jiān)控和溫度、濕度、煙霧指數(shù)的數(shù)據(jù)采集。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)以 S3C2440嵌入式處理器作為控制中心，采用安裝有導(dǎo)航組件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和特定功能傳感器的智能小車(chē)作為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通過(guò) ZigBee組網(wǎng)通信，將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采集到的視頻數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)以及固定節(jié)點(diǎn)采集到的傳感數(shù)據(jù)匯總到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的嵌入式服務(wù)端，用戶(hù)可以使用安卓客戶(hù)端，通過(guò)WiFi來(lái)無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)操控和監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境狀況；而運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)電量不足時(shí)，在自動(dòng)充電單元控制下，小車(chē)自動(dòng)完成充電過(guò)程。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1智能小車(chē)路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃算法是在導(dǎo)航組件的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，該導(dǎo)航組件由 GPS模塊數(shù)字羅盤(pán)和霍爾傳感器組成［4-5］。

如圖2所示，假定作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)載體的智能小車(chē)位于一平面上，將其起始位置用平面坐標(biāo)XY上的S點(diǎn)標(biāo)記，圖中箭頭方向即為小車(chē)的車(chē)頭方向，E點(diǎn)為安卓客戶(hù)端所輸入的目標(biāo)終點(diǎn)。

圖2　路徑算法模型

在XY平面上連接起點(diǎn)S和終點(diǎn)E，直線(xiàn)SE與x軸方向（假定x軸方向地理位置為正東方向）之間的夾角為α：

α=tan-1（（y1-y0）/（x1-x0））=tan-1（Δy/Δx）

式中，Δx=x1-x0；Δy=y1-y0；（x0，y0）為小車(chē)當(dāng)前點(diǎn) S的坐標(biāo)；（x1，y1）為安卓客戶(hù)端所輸入的目標(biāo)終點(diǎn)E的坐標(biāo)。

在不考慮障礙物的情況下，形成一條理想化的直線(xiàn)路徑，即小車(chē)從當(dāng)前位置 S（x0，y0）直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置E（x1，y1）。GPS模塊數(shù)字羅盤(pán)能夠測(cè)出智能小車(chē)的車(chē)頭起始位置與正北方向（y軸方向）之間的夾角為β，則車(chē)頭方向與SE直線(xiàn)間的夾角φ=β+（90°-α）。通過(guò)嵌入式處理器測(cè)算，調(diào)整車(chē)頭方向，使小車(chē)正對(duì)S■→E方向朝目標(biāo)點(diǎn)E駛?cè)ァ６谛≤?chē)行走過(guò)程中，采用霍爾傳感器記錄小車(chē)行走的路徑。小車(chē)在行走的過(guò)程中可能會(huì)遇到各種各樣的障礙物，因此必須檢測(cè)并順利躲避障礙物，使得小車(chē)可以安全準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)設(shè)目標(biāo)點(diǎn)。如圖3所示，箭頭所指方向?yàn)樾≤?chē)車(chē)頭方向，在小車(chē)的右前方、正前方、左前方、右后方、左后方安裝5個(gè)超聲波測(cè)距避障模塊。

圖3　超聲波模塊布置

若相應(yīng)方向的超聲波模塊測(cè)距后檢測(cè)到障礙物（圖2中不規(guī)則陰影部分為障礙物），則嵌入式處理器給小車(chē)下達(dá)執(zhí)行避障的命令。當(dāng)小車(chē)處于前進(jìn)狀態(tài)，且前方的3個(gè)超聲波模塊均檢測(cè)不到障礙物時(shí)，則認(rèn)為已避開(kāi)障礙物［6］。這時(shí)，處理器重新讀取小車(chē)當(dāng)前的 GPS坐標(biāo)E′（x1′，y1′），以當(dāng)前即時(shí)位置 E′的坐標(biāo)更新原始位置 S的坐標(biāo)，便得到更新后的x、y值；而后再設(shè)置理想化直線(xiàn)E′E，重新規(guī)劃導(dǎo)航路徑。如此反復(fù)，直到x、y的值小于預(yù)設(shè)的閾值后，則認(rèn)為在誤差范圍內(nèi)，小車(chē)已到達(dá)目標(biāo)終點(diǎn) E（x1，y1）；然后通過(guò)嵌入式控制中心給客戶(hù)端一個(gè)反饋，從而客戶(hù)端可以監(jiān)測(cè)該位置的視頻信息、溫度、濕度和煙霧指數(shù)值以及報(bào)警模塊反饋的安全狀態(tài)（客戶(hù)端顯示的信息同時(shí)也包含了用戶(hù)關(guān)心的固定節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息）。

智能小車(chē)在從 S（x0，y0）向 E（x1，y1）行進(jìn)的過(guò)程中，遵循以下原則：

（1）在外部環(huán)境條件允許的情況下，運(yùn)動(dòng)軌跡僅是理想化路徑的近似曲線(xiàn)。

（2）當(dāng)外界存在障礙物時(shí)，小車(chē)先進(jìn)行避障任務(wù)，避開(kāi)障礙物或遠(yuǎn)離障礙物后（即圖2中 E′點(diǎn)），再讀取即時(shí)GPS坐標(biāo)，重新規(guī)劃導(dǎo)航路徑。

2.2智能小車(chē)自動(dòng)充電設(shè)計(jì)

在充電電源處放有強(qiáng)光，而小車(chē)上安裝有趨光模塊（由5個(gè)光敏電阻組成的趨光電路），模塊的光敏電阻阻值隨光強(qiáng)而變化。為了減小外界無(wú)關(guān)的光線(xiàn)影響，在每個(gè)光敏電阻上，套上用黑膠帶做成的桶行冒［7］，其目的是可較準(zhǔn)確地檢測(cè)出各個(gè)方向的光強(qiáng)，方便處理器的控制，減小檢測(cè)誤差。通過(guò)對(duì)光敏電阻檢測(cè)到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換電壓與預(yù)設(shè)的閾值比較，完成小車(chē)追蹤光源的任務(wù)。

每個(gè)光敏電阻檢測(cè)一特定扇形區(qū)域，如圖4所示，該區(qū)域角度為α。經(jīng)過(guò)測(cè)試，α在32°左右即可。在尋光過(guò)程中，當(dāng)光敏電阻追蹤到光時(shí)，其阻值發(fā)生變化，處理器檢測(cè)變化信號(hào)并產(chǎn)生相應(yīng)的指令來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而改變小車(chē)的行進(jìn)路線(xiàn)。當(dāng)小車(chē)路線(xiàn)改變后，相應(yīng)地光敏電阻接受到的光強(qiáng)也隨之發(fā)生變化；在電源處放著一塊強(qiáng)力磁鐵，而小車(chē)上放有一塊金屬片，當(dāng)小車(chē)通過(guò)尋光行駛到電源處，停止前進(jìn)，在電源處的磁鐵實(shí)現(xiàn)電源與小車(chē)的對(duì)接功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電；而處理器一旦監(jiān)測(cè)到小車(chē)電池電壓達(dá)到電量充滿(mǎn)的閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車(chē)與磁鐵脫離吸合狀態(tài)。因此，該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中不用考慮電量不足的問(wèn)題，能更好地實(shí)現(xiàn)人性化的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

2.3智能小車(chē)避障策略

智能小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí)所采取的策略如表1所示。當(dāng)超聲波模塊檢測(cè)到障礙物時(shí)，相應(yīng)模塊的電平為“1”，否則為“0”；“X”為任意狀態(tài)；D1和D3分別為1號(hào)和3號(hào)測(cè)距模塊所測(cè)障礙物距離。

圖4　追蹤光源原理圖

表1　智能小車(chē)避障策略

3　實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在空曠的操場(chǎng)上自動(dòng)規(guī)劃智能小車(chē)行走路徑。圖5為小車(chē)的實(shí)測(cè)行走路徑，小車(chē)從S點(diǎn)出發(fā)，先后經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)目標(biāo)點(diǎn)E1、E2、E3；在行進(jìn)過(guò)程中，小車(chē)遇到了障礙物，需進(jìn)行自動(dòng)避障，因此整條路徑行成了S型，而非理想的直線(xiàn)路徑，S到E3之間的直線(xiàn)距離為25 m。

圖5　智能小車(chē)的實(shí)測(cè)S型軌跡

小車(chē)從起始點(diǎn)出發(fā)的行進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)GPS模塊數(shù)字羅盤(pán)能夠測(cè)出智能小車(chē)的車(chē)頭起始位置與正北方向之間的夾角為β，因此在不同的時(shí)間內(nèi)，車(chē)頭方向與小車(chē)當(dāng)前位置到目標(biāo)點(diǎn)直線(xiàn)間的夾角φ=β+（90°-α）可通過(guò)處理器測(cè)出。由此可獲得智能小車(chē)方向角φ與時(shí)間的關(guān)系圖，如圖6所示。小車(chē)在出發(fā)點(diǎn)S處與目標(biāo)點(diǎn)E1，開(kāi)始存在一個(gè)方向角，設(shè)置好目標(biāo)點(diǎn)E1后，小車(chē)迅速調(diào)整車(chē)頭位置，使車(chē)頭正對(duì)目標(biāo)點(diǎn)，并前進(jìn)；在行進(jìn)過(guò)程中，由于沒(méi)有遇到障礙物，方向角在0°左右波動(dòng)，在誤差允許的范圍內(nèi)；當(dāng)小車(chē)行走到目標(biāo)點(diǎn)E1時(shí)，隨即獲取到前往目標(biāo)點(diǎn)E2的命令，在E1位置存在障礙物，因此方向角變化需要一定的時(shí)間。當(dāng)車(chē)頭方向調(diào)整到正對(duì)目標(biāo)點(diǎn) E2時(shí)，方向角在 0°左右波動(dòng)，在誤差允許的范圍內(nèi)。從圖中也可以看出，從E2到E3也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需求。小車(chē)在28 s內(nèi)，自主移動(dòng)，成功到達(dá)終點(diǎn)。

圖6　智能小車(chē)方向角φ與時(shí)間關(guān)系

4　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)使用安卓客戶(hù)端遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和安全狀態(tài)，智能小車(chē)可自動(dòng)充電。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)有兩種模式：一種是智能小車(chē)完成路徑規(guī)劃和自動(dòng)避障動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境狀況 （視頻監(jiān)控、溫度、濕度及煙霧指數(shù)），質(zhì)量狀況超過(guò)安全值時(shí)自動(dòng)報(bào)警并反饋給客戶(hù)端；而另一種模式是使用客戶(hù)端實(shí)時(shí)控制智能小車(chē)走向，并且安卓手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示所有傳感器的實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)，對(duì)特別關(guān)心的地點(diǎn)可拍照傳回，保證一些安全隱患早發(fā)現(xiàn)早預(yù)防，對(duì)保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全等起到至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)具有很大升級(jí)空間，可以擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制。

［1］WATANABE K，UMEMURA M，HIGASHIKUBO M.Development of video surveillance device［Z］.Sumitomo Electric Industries Ltd，2013（76）：90-93.

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統(tǒng)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，9（32）：1348-1352.

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Intelligent environmental monitoring system based on path planning

Zhang Yiqun，Cheng Shuying
（Institute of Micro-Nano Devices&Solar Cells，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

An autonomous mobile intelligent vehicle system based on the S3C2440 embedded processors can automatically complete path planning and obstacle avoidance after Android client sends location information.The processor will feature a small car equipped with sensors to collect real-time data and feedback it to the client，achieve dynamic monitoring for the environmental quality of indoor situation（real-time video monitoring，temperature，humidity and smog index）.And the functional sensors are installed in the designated locations，which use the ZigBee wireless module to achieve the interaction point of environmental data acquisition and motion systems and then back to the clients.When the motion system is in low supply power，it will be charged under the automatic control of the charging unit automatically.The test results show that the motion system is stable and has a good real-time.

S3C2440；embedded；autonomous mobile；path planning；auto charging；environmental monitoring

TP274.2

A

1674-7720（2015）05-0082-03

（2014-11-05）

張義群（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、圖像處理。

程樹(shù)英（1966-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：光伏材料、器件及其應(yīng)用。