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一、項(xiàng)目概述 1.1 項(xiàng)目摘要 目前，在一些大型商場(chǎng)或會(huì)場(chǎng)中，僅存在室內(nèi)場(chǎng)所的平面圖，但對(duì)于大部分人來(lái)說(shuō)，要在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)平面圖找到一條方便快捷的路徑到達(dá)目的地不是一件很輕松的事情。本方案基于意法半導(dǎo)體公司提供的iNEMO平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款更人性化的、更方便快捷的、應(yīng)用于大型室內(nèi)場(chǎng)所的多功能導(dǎo)航儀。該導(dǎo)航儀主要有定位、校準(zhǔn)、導(dǎo)航等功能，主要實(shí)現(xiàn)是通過(guò)STEVAL-MK1062V2實(shí)驗(yàn)板上的三軸陀螺儀測(cè)量角速度來(lái)確定方向，通過(guò)地磁模塊的線性加速度傳感器來(lái)確定位移，通過(guò)溫度傳感器以及氣壓傳感器來(lái)讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)Wi-Fi傳輸數(shù)據(jù)，最終通過(guò)Android智能手機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并把結(jié)果顯示出來(lái)。相較于平面圖，本導(dǎo)航儀可以使用戶得到更個(gè)性化、更方便簡(jiǎn)潔的可跨樓層的定位導(dǎo)航服務(wù)。 1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī) 目前，越來(lái)越多的大型商場(chǎng)或會(huì)場(chǎng)新建起來(lái)，這其中琳瑯滿目的服飾品牌、餐飲、電玩城、電影等等購(gòu)物娛樂(lè)場(chǎng)所，特定場(chǎng)合的優(yōu)惠活動(dòng)……這些都無(wú)一不吸引著顧客，這也導(dǎo)致商場(chǎng)中一些越來(lái)越常見(jiàn)的問(wèn)題： 如何在人山人海中找到一條方便快捷的途徑到達(dá)目的地而無(wú)需通過(guò)平面圖? 如何在不同樓層間實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間和最短路徑? 若和同伴走失如何在最短時(shí)間內(nèi)通過(guò)最方便途徑找到對(duì)方? 在發(fā)生緊急情況下，如何最快最有效的逃離現(xiàn)場(chǎng)? 無(wú)疑，在這類型場(chǎng)所中，如何快速的定位導(dǎo)航對(duì)于顧客來(lái)說(shuō)是個(gè)十分重要的問(wèn)題�？v使有平面圖的存在，仍然需要通過(guò)一系列的分析才可得出結(jié)論。若還考慮到跨樓層問(wèn)題，還需考慮跨樓層方式所用的時(shí)間以及速度。由此我們希望可以有個(gè)更加“智能”的導(dǎo)航工具來(lái)指引我們更快更方便的到達(dá)目的地。本導(dǎo)航儀為顧客顯示更精確的方向、距離，提供最優(yōu)途徑，從而減少顧客在定位導(dǎo)航上所花的時(shí)間。 在計(jì)算終端和顯示模塊的選擇上，我們考慮使用智能手機(jī)作為本次項(xiàng)目的終端，并選取具有android開(kāi)發(fā)平臺(tái)的智能手機(jī)。智能手機(jī)具有便攜、運(yùn)算速度快、外觀絢麗、開(kāi)發(fā)方便、使用人群多等特點(diǎn)，便于傳感器數(shù)據(jù)的處理，以及軟件的推廣。并且2011年初數(shù)據(jù)顯示，僅正式上市兩年的操作系統(tǒng)Android已經(jīng)超越稱霸十年的塞班系統(tǒng)，使之躍居全球最受歡迎的智能手機(jī)平臺(tái)。 Android的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)： 開(kāi)放性：開(kāi)發(fā)的平臺(tái)允許任何移動(dòng)終端廠商加入到Android聯(lián)盟中來(lái)。顯著的開(kāi)放性可以使其擁有更多的開(kāi)發(fā)者，有利于積累人氣。 掙脫束縛：用戶可以更加方便地連接網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商的制約減少。 豐富的硬件：由于Android的開(kāi)放性，眾多的廠商會(huì)推出千奇百怪，功能特色各具的多種產(chǎn)品。功能上的差異和特色，卻不會(huì)影響到數(shù)據(jù)同步、甚至軟件的兼容。 開(kāi)發(fā)商：Android平臺(tái)提供給第三方開(kāi)發(fā)商一個(gè)十分寬泛、自由的環(huán)境。因此不會(huì)受到各種條條框框的阻撓。 Google應(yīng)用：Android平臺(tái)手機(jī)將無(wú)縫結(jié)合優(yōu)秀的Google服務(wù)。 綜合以上考慮因素，我們決定在android平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與效果顯示。與此同時(shí)，我們希望能拓展部分功能如語(yǔ)音識(shí)別，音頻提示等等類似于“導(dǎo)盲犬”的功能。 二、需求分析 2.1 功能要求 1. 實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的環(huán)境信息，以滿足使用者對(duì)于了解當(dāng)前環(huán)境的需求。 2. 實(shí)時(shí)采集使用者的速度信息，用于對(duì)使用者位置狀態(tài)的更新。 3. 能夠進(jìn)行地圖的存儲(chǔ)和更新，并根據(jù)使用者的位置和目的地的信息，對(duì)使用者的行進(jìn)方向進(jìn)行引導(dǎo)。 4. 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)板和Android智能手機(jī)端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)Wi-Fi通信，確保采集信息能及時(shí)準(zhǔn)確傳輸?shù)绞謾C(jī)端。 5. 良好的顯示模塊，可以讓各種信息有條不紊的在Android平臺(tái)顯示。 6. 校正功能，進(jìn)行基準(zhǔn)位置識(shí)別以提高定位精度。 2.2 性能標(biāo)準(zhǔn) 1. 對(duì)于環(huán)境溫度的檢測(cè)誤差不超過(guò)0.5°。 2. 測(cè)量速度精確，最后對(duì)使用者位置的識(shí)別在距離校正點(diǎn)200m不超過(guò)10m。 3. 導(dǎo)航時(shí)對(duì)于道路和行駛方向的識(shí)別準(zhǔn)確有效。 4. 對(duì)樓梯和電梯進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)對(duì)于道路和行駛方向的識(shí)別準(zhǔn)確有效。識(shí)別。 5. 導(dǎo)航時(shí)能夠識(shí)別樓內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)存在不同道路時(shí)能夠進(jìn)行智能選路。 6. 手機(jī)端實(shí)時(shí)位置顯示無(wú)明顯延遲。 三、方案設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理(除圖片外需有文字介紹) 3.1.1定位實(shí)現(xiàn)方法: STEVAL實(shí)驗(yàn)板提供LSM303DLH(六軸地磁模塊)和LPR430AL(兩軸橫滾俯仰陀螺儀) LY330ALH(一軸偏航陀螺儀)，利用六軸地磁模塊中的三軸加速度傳感器測(cè)量間隔一定短時(shí)間間隔后的相對(duì)板平面的加速度 ，并且利用 ，并且進(jìn)行累加，可以得到在不同時(shí)間相對(duì)于板平面的速度 ，然后利用陀螺儀可以測(cè)量的加速度對(duì)以上的速度進(jìn)行變換，從而得到在真實(shí)空間中的三個(gè)方向的速度分量(以豎直向上為z軸正方向，x，y可以具體定義，滿足三維直角坐標(biāo)系關(guān)系)。考慮到角度量 是標(biāo)量，但是無(wú)窮小量 是矢量，那么可以利用公式 得到在較短時(shí)間內(nèi)的坐標(biāo)系沿三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)變換(在實(shí)際中利用很短的時(shí)間來(lái)替代 ) 。 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式： 其中 分別是沿x，y，z三個(gè)方向在短時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)過(guò)的夾角，不斷的利用以上轉(zhuǎn)換公式可以得到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)板坐標(biāo)系和真實(shí)空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，利用 可以逆向推導(dǎo)出 ，(在真實(shí)空間坐標(biāo)系中的三個(gè)速度分量)，再利用這三個(gè)速度分量可以計(jì)算出位移，從而實(shí)現(xiàn)在定位。 3.1.2導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)方法： 由于具體路線的計(jì)算都集中在手機(jī)中，而傳感器部分僅負(fù)責(zé)信息的采集，而手機(jī)的計(jì)算，顯示功能都十分的強(qiáng)我們可以將比較復(fù)雜的地圖和算法應(yīng)用在手機(jī)中。 而Android手機(jī)一般是大屏幕觸摸，終點(diǎn)確定，位置校準(zhǔn)都很方便，導(dǎo)航是需要有點(diǎn)考慮的地方。 我們的地圖在手機(jī)的存儲(chǔ)中分為兩層，底層存儲(chǔ)的是地圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以根據(jù)如今的位置，使用最短路徑算法等路徑算法找到要提示的行進(jìn)方向。而頂層存儲(chǔ)的是地圖的顯示路徑，可以在屏幕上進(jìn)行顯示并進(jìn)行引導(dǎo)。而在行進(jìn)過(guò)程中也要通過(guò)傳感器確定使用者的運(yùn)動(dòng)方向和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，提示出最新的引導(dǎo)方向。 3.1.3 RFID校正： 由于系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，定位的方法利用加速度計(jì)算位移，角速度確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向的方法來(lái)最終獲取位移信息從而獲得位置信息，但是在實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：1、線加速度和角速度的獲取是間隔采樣獲得 2、實(shí)際情況中采用的是差分求和而不是積分會(huì)引入誤差 3、在獲取轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)候默認(rèn) 等價(jià)，但在實(shí)際中不等價(jià)，因?yàn)楹暧^的角度并非矢量4、傳感器本身誤差的存在 考慮到誤差隨著時(shí)間和位移的積累會(huì)大到有明顯影響，所以需要進(jìn)行校正：1)射頻標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行校正：在室內(nèi)的固定地點(diǎn)放入射頻標(biāo)簽，實(shí)驗(yàn)板上加入RFID reader模塊，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定地點(diǎn)是，用戶可通過(guò)刷卡形式進(jìn)行校正。在進(jìn)一步設(shè)計(jì)中可以考慮使用在固定地點(diǎn)放入大功率信號(hào)發(fā)射器，在用戶路過(guò)時(shí)自動(dòng)接收信號(hào)進(jìn)行校正。 2)人工校正：用戶可以通過(guò)手機(jī)在觀察到特定位置后可以自行校正，在比較容易識(shí)別的特殊位置，用戶可以通過(guò)觸屏進(jìn)行校正，從而輔助射頻校正，實(shí)現(xiàn)更好的校正效果 圖3.1.1 硬件架構(gòu)圖 圖3.1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 3.2 硬件資源配置 (1)RFID讀寫器開(kāi)發(fā)板 (2)STEVAL-MK1062V2實(shí)驗(yàn)板 (3)Android 2.2系統(tǒng)高性能智能手機(jī) (4)USB無(wú)線網(wǎng)卡 3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)(除圖片外需有文字介紹) 圖3.3.1 軟件架構(gòu)圖 軟件架構(gòu)如圖3.3.1所示，軟件系統(tǒng)主要包括：陀螺儀、線加速度計(jì)等運(yùn)動(dòng)傳感器信息的獲取，氣壓溫度等環(huán)境量傳感器信息的獲取，RFID讀取標(biāo)簽產(chǎn)生中斷對(duì)位置方向信息的校正，無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)地移植，socket套接字無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，基于陀螺儀角速度量對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)板方向的計(jì)算，基于實(shí)驗(yàn)板方向和線加速度量對(duì)較小時(shí)間段內(nèi)實(shí)驗(yàn)板位移的計(jì)算，Android手機(jī)對(duì)位置、方向、導(dǎo)航、溫度信息的顯示。 3.4 系統(tǒng)軟件流程(除圖片外需有文字介紹) 圖3.4.1 程序運(yùn)行流程圖 1.ARM端主程序：初始化實(shí)驗(yàn)板各傳感器控制字;設(shè)置中斷向量，開(kāi)啟中斷;建立socket套接字;一定頻率讀取加速度、角速度、溫度、氣壓等傳感器測(cè)量所得數(shù)據(jù)，10次測(cè)量值為一組打包Wi-Fi發(fā)送至Android手機(jī)端軟件。 2.ARM端校正中斷：RFID閱讀器檢測(cè)到電子標(biāo)簽觸發(fā)中斷，獲取標(biāo)簽編號(hào)，建立信息幀發(fā)送至手機(jī)端軟件。 3.手機(jī)端主程序：初始化程序，監(jiān)聽(tīng)Socket端口;接收ARM發(fā)送的傳感器測(cè)量值數(shù)據(jù)包;對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，累加計(jì)算實(shí)驗(yàn)板方向改變量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)板當(dāng)前方向及各方向上的加速度量計(jì)算實(shí)驗(yàn)板絕對(duì)直角坐標(biāo)系下的位移量;根據(jù)地圖拓?fù)湫畔⒆疃搪窂剿惴ㄋ阉鞒鰧?dǎo)航線路;GUI人機(jī)交互界面顯示地圖路線、方位信息。 4.手機(jī)端校正按鍵：用戶走到明顯標(biāo)志物處，觸摸按鍵，交互提示用戶確認(rèn)當(dāng)前位置，更新程序內(nèi)計(jì)算得到的方向位置信息以消除時(shí)間積累誤差。 |
