一種基于壓力傳感觸控技術(shù)的智能地板

　　室內(nèi)定位系統(tǒng)(Indoor Positioning System，IPS)是普適計(jì)算中的重要內(nèi)容。隨著智能終端的普及、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位與導(dǎo)航的需求日益增大，同時(shí)，IPS在公共安全、移動(dòng)電子商務(wù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。目前，IPS采用的定位技術(shù)主要包括RFID、Bluetooth、WiFi、UWB、ZigBee、光學(xué)、超聲波、紅外線、地磁場(chǎng)等。采用單一定位技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)都存在一定的缺陷，如負(fù)擔(dān)性強(qiáng)、擴(kuò)展性和魯棒性差、定位精度低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等。因此，多種定位技術(shù)融合是IPS的一個(gè)發(fā)展方向。

　　壓力傳感觸控技術(shù)(Force Based Touch Sereen Technology)zTouch來(lái)自于美國(guó)F-Origin公司。該技術(shù)的原理是在剛性面板的四周角落處設(shè)置多個(gè)壓力傳感器，通過(guò)傳感器感知用戶在面板上觸摸或做手勢(shì)產(chǎn)生的垂直于面板的壓力，根據(jù)各點(diǎn)傳感器受力不同進(jìn)行定位。該技術(shù)具有環(huán)境魯棒性好、持久性強(qiáng)、無(wú)負(fù)擔(dān)性以及三維信息感知、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于IPS可彌補(bǔ)其他定位技術(shù)的不足。目前，國(guó)外有多家機(jī)構(gòu)正在研究基于該技術(shù)的定位系統(tǒng)，如英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)的Weight Lab、英國(guó)謝菲爾德哈勒姆大學(xué)和德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Smart Floor等。

　　本文基于壓力傳感觸控技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能地板，并采用該地板構(gòu)建了一小型定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用16個(gè)壓力傳感器和4塊地板構(gòu)建定位平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)小車的定位和路徑顯示，并能通過(guò)LabVIEW軟件和Android終端查看小車位置信息。

　　1定位原理

　　壓力傳感觸控定位技術(shù)的基本單元由1塊剛性面板和4個(gè)壓力傳感器組成，壓力傳感器分布于剛性面板的四角處，形成一四支點(diǎn)結(jié)構(gòu)。四支點(diǎn)定位模型如圖1所示。

　　圖1四支點(diǎn)定位模型

　　在圖1所示的模型中，Si(i=1，2，3，4)表示第i個(gè)壓力傳感器。在P平面的二維坐標(biāo)系中，記Si與P平面的接觸點(diǎn)(或接觸面的中心點(diǎn))的坐標(biāo)為(xi，yi)，4個(gè)接觸點(diǎn)構(gòu)成的矩形區(qū)域(虛線框內(nèi))稱為定位區(qū)D.在D中任一點(diǎn)(x，y)處施加一垂直于P平面的力F，令Fi表示Si受到的F的分壓力，根據(jù)四支點(diǎn)平面物體重心位置計(jì)算公式，式(1)～(3)成立。

　　根據(jù)式(1)～(3)，可計(jì)算出力F的位置，從而實(shí)現(xiàn)定位。

　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)本研究的實(shí)驗(yàn)條件，構(gòu)建了一個(gè)針對(duì)小車的定位演示系統(tǒng)。系統(tǒng)由定位平臺(tái)、定位對(duì)象(小車)、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)、Android監(jiān)視終端組成。當(dāng)定位對(duì)象在定位平臺(tái)上靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)分析傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算出其在物理空間中的絕對(duì)位置坐標(biāo)(X，Y)，該位置屬性經(jīng)過(guò)映射，反映在上位機(jī)位置管理服務(wù)器(LabVIEW軟件)的虛擬地圖中。位置管理服務(wù)器可以構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，并可為移動(dòng)終端提供位置查詢和導(dǎo)航的服務(wù)。定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

　　圖2定位系統(tǒng)構(gòu)成

　　本系統(tǒng)采用USB-6259(BNC)采集定位平臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)。USB-6259(BNC)是美國(guó)NI公司生產(chǎn)的一款高速、多功能M系列的數(shù)據(jù)采集卡，提供有16路模擬輸入通道，其最高采樣率為1.25 Ms/s，采樣精度為16位，滿足系統(tǒng)要求。

　　定位系統(tǒng)可分為3個(gè)模塊：

　?、俣ㄎ伙@示模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)端的LabVIEW平臺(tái)下，實(shí)時(shí)顯示小車在定位平臺(tái)的絕對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)路徑。

　　②運(yùn)動(dòng)控制模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)LabVIEW程序控制小車的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)藍(lán)牙傳送控制指令，達(dá)到非接觸移動(dòng)小車的目的，同時(shí)防止接觸方式產(chǎn)生的側(cè)向力對(duì)定位精度的影響。

　?、圻h(yuǎn)程監(jiān)視模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)Android手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視小車的位置，PC機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向遠(yuǎn)程終端廣播小車的位置信息。