大型體育場(chǎng)館光環(huán)境智能檢測(cè)方法的研究

謝俊 葉忠民 張鵬 李威霖

摘 要：本文基于大型體育場(chǎng)館光環(huán)境檢測(cè)的需求，提出了一種全新的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型場(chǎng)館光照環(huán)境的全自動(dòng)測(cè)量與測(cè)量數(shù)據(jù)分析。該方法利用移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、智能定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等多種技術(shù)手段，構(gòu)建一個(gè)完整的軟硬件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)籃球場(chǎng)、足球場(chǎng)等多種大型體育場(chǎng)館光環(huán)境的自動(dòng)檢測(cè)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該方案具有簡(jiǎn)單易用、低成本、高效率、高精度的特點(diǎn)，可以有效地提高檢測(cè)效率，具有較大的檢測(cè)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光環(huán)境；智能定位；傳感器；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

JGJ153—2007《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)體育場(chǎng)館的光照度檢測(cè)提出了具體要求，規(guī)定了檢測(cè)前需確定檢測(cè)點(diǎn)位。由于不同的體育場(chǎng)館有不同的點(diǎn)位數(shù)量和位置要求，因此，人工定位和檢測(cè)既煩瑣又費(fèi)時(shí)。另外檢測(cè)人員直接進(jìn)入檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)或多或少會(huì)對(duì)光環(huán)境造成影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的偏差。

本系統(tǒng)中主要包括光照傳感器系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)等5個(gè)部分，其中光照傳感器系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)3個(gè)部分屬于前端檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)館中自動(dòng)導(dǎo)航至檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)；無(wú)線通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)接收前端運(yùn)動(dòng)機(jī)器人采集到的光照數(shù)據(jù)，生成檢測(cè)報(bào)告，并且可以發(fā)送指令給運(yùn)動(dòng)機(jī)器人控制器行進(jìn)路線。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示（以籃球場(chǎng)為例）。

各子系統(tǒng)功能描述如下：

（1）光照傳感器系統(tǒng)：用于測(cè)量場(chǎng)館光照環(huán)境。

（2）運(yùn)動(dòng)機(jī)器人和定位系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)機(jī)器人是光照傳感器的移動(dòng)載體，而定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)方向定位、移動(dòng)距離定位、檢測(cè)點(diǎn)定位，安裝在運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)上，可以檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方位和運(yùn)動(dòng)距離等信息，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在場(chǎng)地內(nèi)的按照設(shè)置好的路線移動(dòng)。

（3）無(wú)線通信系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)與PC端數(shù)據(jù)采集軟件的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

（4）數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)：接收運(yùn)動(dòng)機(jī)器人采集到的光照數(shù)據(jù)；發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令給運(yùn)動(dòng)機(jī)器人以控制其行駛路徑、設(shè)置采樣點(diǎn)位置、設(shè)置采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)等。

系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

1 光照傳感器系統(tǒng)

光照傳感器系統(tǒng)是精確測(cè)量場(chǎng)館內(nèi)光環(huán)境的基本要求。市面上有多種手持光測(cè)量?jī)x可選擇，但此類光照測(cè)量設(shè)備只能顯示光照度值，無(wú)法與控制器通信讀取其測(cè)量值。為了提高系統(tǒng)的集成度，提高系統(tǒng)的易用性，本系統(tǒng)中采用具有IIC接口的數(shù)字光照傳感器BH1750FVI模塊來(lái)感知環(huán)境光照強(qiáng)度。數(shù)字光照傳感器BH1750FVI具有測(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高的特點(diǎn)，適配程度高，量程范圍1-65535lx，可以滿足本系統(tǒng)的測(cè)量要求。將此模塊與主控制器的IIC接口連接，即可編程讀取到光照傳感器檢測(cè)的光照強(qiáng)度值。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)器人和定位系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的重要組成部分，其用于搭載光照傳感器和定位導(dǎo)航模塊，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)館內(nèi)的自動(dòng)導(dǎo)航測(cè)量。運(yùn)動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該滿足移動(dòng)速度可控、移動(dòng)距離可控、移動(dòng)方位多自由度要求。

運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的重要組成部分，其用于搭載光照傳感器和定位導(dǎo)航模塊，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)館內(nèi)的自動(dòng)導(dǎo)航測(cè)量。運(yùn)動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該滿足移動(dòng)速度可控、移動(dòng)距離可控、移動(dòng)方位多自由度要求。

本系統(tǒng)中對(duì)于檢測(cè)點(diǎn)位的要求較高，要求機(jī)器人能夠以較高的效率完成直角彎的行駛過(guò)程，普通的轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)只能完成有弧度的行駛路線，難以滿足上述直角彎的行駛要求。因此本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的機(jī)器人要求能夠在保持車身方向不變的前提下完成前后左右平移的動(dòng)作，以使機(jī)器人在場(chǎng)地內(nèi)任意兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)路線都為直線，最大程度地提高運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)效率。為此，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人車輪采用全向的麥克納姆輪，從而使機(jī)器人具有在任意點(diǎn)位都具備前后運(yùn)動(dòng)、左右平移的全向運(yùn)動(dòng)能力。

3 無(wú)線通信和數(shù)據(jù)采集軟件

3.1 功能需求定義

光照數(shù)據(jù)采集軟件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的光照數(shù)據(jù)的顯示和處理。軟件采用串行通信方式與運(yùn)動(dòng)機(jī)器人通信，機(jī)器人采集到的光照數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的顯示在屏幕上。光照采集軟件還具有數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制等功能模塊，其功能定義如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)方法

3.2.1 串行通信方法設(shè)計(jì)

主控芯片可采用STM32F103等具有串行通信接口的控制器。為了減輕主程序負(fù)擔(dān)，降低串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送對(duì)原有程序運(yùn)行時(shí)序的影響，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送均采用中斷方式：

發(fā)送：TXE中斷，發(fā)送寄存器為空時(shí)，觸發(fā)中斷，進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送（如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送）。

接收：RXNE中斷，當(dāng)接收寄存器不為空時(shí)，觸發(fā)中斷，讀取接收寄存器數(shù)據(jù)。

串行通信協(xié)議設(shè)定見(jiàn)表1。

3.2.2 幀通信格式定義

幀是用于串口通信的基本單位。我們將所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照格式封裝在一個(gè)幀里，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。下面我們以下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為例說(shuō)明如何定義與使用該串行通信協(xié)議。串口通信的關(guān)鍵是通過(guò)將數(shù)據(jù)打包成幀格式，放到FIFO中，然后再?gòu)腇IFO中逐個(gè)取數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

3.2.3 幀發(fā)送

上面已經(jīng)介紹了幀的構(gòu)成與定義，下面所要做的工作就是寫(xiě)程序?qū)^和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照格式填充到幀中，然后逐個(gè)字節(jié)發(fā)送即可。

3.2.4 通信協(xié)議制定

將上位機(jī)和下位機(jī)之間傳輸?shù)娘L(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)打包定義成結(jié)構(gòu)體Fan_Info。交換數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送一個(gè)結(jié)構(gòu)體即包含了所需要的信息。

3.3 上位機(jī)軟件

3.3.1 測(cè)量主界面

圖4、圖5為 軟件主界面截圖，以籃球場(chǎng)館的光環(huán)境環(huán)境檢測(cè)為例，根據(jù)JGJ153—2007《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算好檢測(cè)點(diǎn)位，規(guī)劃好智能機(jī)器人行進(jìn)路線，其中圖4為全場(chǎng)模式，圖5為半場(chǎng)模式。

3.3.2 測(cè)量過(guò)程

以半場(chǎng)為例，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人半場(chǎng)檢測(cè)行駛路線、檢測(cè)點(diǎn)位示意界面和檢測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的行駛路線與行駛狀態(tài)在圖6中實(shí)時(shí)顯示，圓圈處表示按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求需要檢測(cè)該點(diǎn)位的光環(huán)境，檢測(cè)結(jié)果會(huì)在該圓圈內(nèi)標(biāo)注出檢測(cè)值，并同時(shí)在軟件主界面中的測(cè)量顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示，如圖7所示。測(cè)量完成后，機(jī)器人自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。按下“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕，即可將采集到的光照數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel中，如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

籃球場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)、足球場(chǎng)等不同的場(chǎng)館有各自的統(tǒng)一規(guī)格，對(duì)各自的檢測(cè)點(diǎn)位也均有固定的要求，只需事先預(yù)制各種場(chǎng)館的點(diǎn)位，便無(wú)需再做調(diào)試即可進(jìn)行各種場(chǎng)館的檢測(cè)。該裝置簡(jiǎn)單易用、低成本、高效率、高精度，可以有效的提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，具有較大的檢測(cè)應(yīng)用價(jià)值。

另外，只需在此基礎(chǔ)上做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，例如更換不同的傳感器，便可實(shí)現(xiàn)其他參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，如電磁場(chǎng)輻射、空氣質(zhì)量等，本文不再討論。

參考文獻(xiàn)

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