一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块

技术领域

本发明涉及传感器和信息处理技术领域，更具体的说是涉及一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块。

背景技术

目前，当前智能运输平台、物流小车的循迹方式多采用摄像头、CCD模块和陀螺仪。前两种方法存在以下问题：

(1)摄像头和CCD的广角镜头易受反光的影响。

(2)实际用途的场地和光源分布无法预知，增加了摄像头和CCD的曝光量控制难度。

(3)摄像头取整个图像的刷新率只有几十赫兹，刷新慢会降低小车的极限可控速度，陀螺仪存在积分误差。

所以，现有的循迹方式均无法实现在二维路面高精度的循迹，难以满足实际应用需求。

因此，如何提供一种定位精度高、稳定可靠的红外定位模块是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块，有效解决了现有的循迹方式易受反光影响、无法在二维路面高精度循迹的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块，包括：红外收发电路、选通电路、信号跟随电路、控制电路以及供电电路；

所述红外收发电路设有四组，四组所述红外收发电路围合成正方形，所述选通电路、信号跟随电路、控制电路以及供电电路均设于正方形内，所述红外收发电路与所述选通电路电连接，所述选通电路与所述信号跟随电路电连接，所述信号跟随电路与所述控制电路电连接，所述控制电路和所述信号跟随电路均与所述供电电路电连接；

所述红外收发电路输出移动载体行进过程中的红外信息，所述选通电路用于将所述红外信息转化为序列信息，所述信号跟随电路对所述序列信息进行信号跟随并输入所述控制电路，所述控制电路对接收到的序列信息对应的红外信息进行归一化处理和寻线运算处理，得到移动载体的位置信息。

进一步地，每组所述红外收发电路包括60对红外收发管，所述60对红外收发管依次串联。本发明中四组红外收发电路设在正方形四边位置，每组设置60对，共240对红外收发管，配合后续的电路模块，可以实现高精度定位。

进一步地，所述红外收发管选用型号为IR26-51C的红外发射管以及型号为PT26-51B的红外接收管。本发明的红外收发管选用带聚光设计的型号，识别距离更远，进一步提高了定位精度。

进一步地，所述选通电路设有四组，每组所述选通电路包括4个单通道模拟多路复用器。这样，每组红外收发电路对应4个单通道模拟多路复用器，从而将240个红外信息转换为16个序列信息。

进一步地，所述单通道模拟多路复用器选用型号为CD74HC4067SM96的芯片。

进一步地，所述信号跟随电路包括远端信号跟随电路和近端信号跟随电路，所述远端信号跟随电路一端与所述选通电路电连接，所述远端信号跟随电路的另一端与所述近端信号跟随电路电连接，所述近端信号跟随电路与所述控制电路电连接。

信号跟随电路的设置，主要用于隔离和减小由于长距离控制存在的很大的线路阻抗损耗，保证整个模块在信号传输过程中的可靠性。

进一步地，所述控制电路由STM32F405RGT6主控芯片及其外围电路组成。控制电路作为整个模块的核心部分，主要实现数据收发、运算处理、数据存储等功能。

进一步地，所述供电电路包括恒压供电电路和恒流供电电路，所述信号跟随电路和所述控制电路均与所述恒压供电电路电连接，所述恒流供电电路与所述红外收发电路电连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块，该模块通过多组红外收发电路来判断自身所处位置，保证了定位精度，通过选通电路将多个红外信息转为带时序的较少的红外序列，减小后续信号跟随电路的器件数量以及控制电路所需引脚的数量，通过信号跟随电路的设置，便于隔离，减小由于长距离控制存在的很大的线路阻抗损耗，该模块定位精度更高，受外界光源和场地光源影响小，更能满足实际使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块的结构示意图；

图2为红外信息的传输流程示意图；

图3为红外发射部分的电路结构示意图；

图4为红外接收部分的电路结构示意图；

图5为部分红外接收管的电路连接关系示意图；

图6为选通电路和远端信号跟随电路的结构示意图；

图7为其中一个单通道模拟多路复用器的电路结构示意图

图8为近端信号跟随电路的结构示意图；

图9为控制电路的结构示意图；

图10(a)、图10(b)和图10(c)为恒压供电电路的结构示意图；

图11为恒流供电电路的结构示意图；

图12为基于安装有基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块的智能小车底盘底面示意图；

图13为循迹小车行驶赛道示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块，包括：红外收发电路1、选通电路2、信号跟随电路3、控制电路4以及供电电路5；

红外收发电路1设有四组，四组红外收发电路1围合成正方形，选通电路2、信号跟随电路3、控制电路4以及供电电路5均设于正方形内，红外收发电路1与选通电路2电连接，选通电路2与信号跟随电路3电连接，信号跟随电路3与控制电路4电连接，控制电路4和信号跟随电路3均与供电电路5电连接；

红外收发电路1输出移动载体行进过程中的红外信息，选通电路2用于将红外信息转化为序列信息，信号跟随电路3对序列信息进行信号跟随并输入控制电路4，控制电路4对接收到的序列信息对应的红外信息进行归一化处理和寻线运算处理，得到移动载体的位置信息。

如图1所示，为整个模块的整体电路布置，整体呈正方形，用于检测移动载体，如小车，前、后、左、右四个方向的地面信息，红外收发电路1平均布置在靠近四条边的位置，每边60对红外收发管，共设置240对红外收发管，外侧为红外发射管、内侧为红外接收管，中间布置有四组选通电路，每组选通电路包括4个单通道模拟多路复用器，共16个单通道模拟多路复用器，每个单通道模拟多路复用器将15个红外信息由控制电路5中单片机的3个控制引脚控制逐次输出，此时240个红外信息转为16个序列信息，再通过内侧的信号跟随电路3进行信号跟随进入控制电路4，控制电路4做数据处理，红外信息的传输流程如图2所示。

本实施例中红外收发电路1包括红外发射部分和红外接收部分，如图3 所示，红外发射部分由240个红外发射管依次串联而成，分别为图3中的红外发射管DA1-DA60、DB1-DB60、DC1-DC60、DD1-DD60。本实施例中红外发射管和红外接收管选用带聚光设计的型号，可以识别更远，具体使用中国台湾亿光的两个型号：IR26-51C与PT26-51B。红外发射部分的供电由恒流供电电路完成。

红外接收电路整体结构如图4所示，具有240个独立的红外接收管和电阻串联回路，每一个红外接收管都串联一个电阻，把电流转换为电压，作为红外信号输出，红外接收管分别为图4中的DLA1-DLA60、DLB1-DLB60、 DLC1-DLC60、DLD1-DLD60。以红外接收管DLD1、DLD2与DLD3的电路部分为例进行说明，红外接收管DLD1、DLD2与DLD3电路连接关系如图5所示，其中，红外接收管DLD1与电阻R36一端串联，电阻R36的另一端接地，红外接收管DLD2与电阻R40一端串联，电阻R40的另一端接地，红外接收管DLD3 与电阻R44一端串联，电阻R44的另一端接地。

具体地，如图1所示，信号跟随电路3(未示出)包括远端信号跟随电路 31和近端信号跟随电路32，远端信号跟随电路31一端与选通电路2电连接，远端信号跟随电路31的另一端与近端信号跟随电路32电连接，近端信号跟随电路32与控制电路4电连接。

本实施例中选通电路2和远端信号跟随电路31的电路结构如图6所示，本实施例中选通电路2设有四组，每组选通电路2包括4个单通道模拟多路复用器，选通电路部分共有16个单通道模拟多路复用器，单通道模拟多路复用器选用德州仪器公司的CD74HC4067SM96芯片，选通电路2后使用德州仪器公司的TLV9061IDBVR芯片进行信号跟随，通过信号跟随电路3，便于隔离和减小由于长距离控制存在的很大的线路阻抗损耗。

参见附图7，以其中一个单通道模拟多路复用器的电路部分为例进行详细说明，其余各个单通道模拟多路复用器的电路部分与图7示出的结构一致。图7中CD74HC4067SM96芯片的24引脚接+5V电源，9引脚接地，12引脚和 15引脚接地，且24引脚与12引脚和15引脚的连接公共端通过电容C1连接，CD74HC4067SM96芯片的1引脚与TLV9061IDBVR运算放大器的3引脚连接；运算放大器的1引脚与其4引脚连接，运算放大器的2引脚接地，运算放大器的5引脚一端接+5V电源，另一端通过电容C9接地。

具体地，近端信号跟随电路32如图8所示，在近端信号跟随电路中同样使用德州仪器公司的TLV9061IDBVR芯片，该电路中包括运算放大器 TLV9061IDBVR以及电容C17等器件。

控制电路4的电路结构如图9所示，主控芯片使用意法半导体公司的STM32F405RGT6单片机。单片机控制选通电路2的方法如下：

单片机使用4个输出引脚(即控制引脚)和16个输入引脚(即信息引脚)，每个选通器(即单通道模拟多路复用器)可由4个控制引脚通过下表1进行选择输出：

表14个控制引脚的控制电平信息

逐次改变控制引脚的电平可实现15个接收的红外信息逐次输出，在同一时刻每个选通器输出一个信息，通过改变4个控制引脚的时序可以得到外信息逐次输出，对于16个选通器而言，每个输出15个信息，可以完全输出240 个红外信息。每个选通器通过两级信号跟随电路实现将信号传输到单片机的输入引脚(即信息引脚)。16个选通器共用4个控制引脚电平，减小了控制引脚的使用，最后需要将采集的归一化数据保存在单片机flash里。

在程序中没有使用统一的电压阈值来分辨多个管子的状态，而是采集ADC 然后程序归一化处理即可，考虑到实时性问题，240次的ADC采集和归一化的速度要在1毫秒以内完成，因此，本实施例选了STM32F405RGT6主控芯片，2 个ADC同步采样，采集并完成整个识别的周期仅600微秒，串口数据发送塞给DMA，通过这种方法实现了1000Hz的位置刷新率。

本实施例中供电电路5包含恒压供电电路和恒流供电电路两部分，恒压供电电路主要用于为信号跟随电路3和控制电路4供电。恒压供电电路如图 10(a)、图10(b)和图10(c)所示，使用5.5V电源，图10(a)示出了使用德州仪器公司的LP38692MP-5.0将5.5V电源转为5V供给信号跟随电路3 中的运算放大器，图10(b)示出了使用LP38692MP-3.3将5.5V电源转为3.3V 供给单片机，图10(c)示出了使用德州仪器公司的REF3433IDBVR将5V电源转为稳定的3.3V模拟量电源作为参考。

图11示出了恒流供电电路的结构，使用恒流供电的原因是，红外发光管也是发光二极管，发光二极管是负温度系数，并且发射光的强度与电流呈线性关系，只要电流不变，红外发射强度就不变，为了保证所有的红外发射管的亮度一致，就必须要串联恒流供电，小功率的发射管正向压降都在1.2V左右，这样240个，一共需要大约288V的高压。为了解决这一问题，把Boost 的恒流芯片改反激。选用德州仪器公司的TPS92691型号的LED驱动器。该芯片除了基本的升压恒流功能，还有过压保护功能。

配套的程序设计是中断部分负责采样、归一化部分处理原始红外信息、寻线处理部分将原始红外信息计算成位置信息、再触发DMA进行位置的串口发送给单片机内存。

然而，采样完的红外模拟量信息相互之间差异较大，因此本实施例还使用了一些后续数据处理方法。主要包括数据离散化、数据标准化和特征提取三步。

为此，本发明实施例还公开了一种基于归一化算法的高精度全方位红外定位方法，该方法包括：

S1：实时采集移动载体行进过程中的红外信息，并将红外信息依次输入选通电路和信号跟随电路；

S2：将经过选通电路和信号跟随电路后的信号，按照一次采样周期进行罗列；

S3：选取数据连续属的划分点，按照划分点进行对红外信息进行离散化处理；

S4：对离散化处理后的红外信息采用z-score标准化算法进行归一化处理；

S5：对归一化处理后信息进行特征提取，确定移动载体的位置。

上述步骤中，S1-S3为数据离散化的过程，由于前期采集到的红外状态信息具有一定的连续属性，并不适用于后续的信息分析算法使用标准，因此对具有连续属性的数据进行离散化处理是必要前提，不仅能够减少后续分析时间，还能降低空间开销，增强算法的稳定性和精度。

本实施例的数据离散化需要经历4步，即:

步骤1：把16路选通信号后的电压跟随电路后的信号按照一次采样周期进行罗列；

步骤2：选取数据连续属的划分点，即每隔8位存到一个红外信息数组中：

步骤3：按照划分点进行离散化处理：

步骤4：判断是否达到终止条件，即模拟量信息完全转化完。若达到，则离散完成，否则，则重复步骤3，直到满足终止条件

上述S4为数据标准化的过程，本实施例每隔60个数据进一次标准化函数。数据的标准化是将数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间的过程。在某些比较和评价的指标处理中经常会用到，去除数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。

常见的数据标准化的方法有:min-max标准化，也叫离差标准化，是对原始数据的线性变换，使结果落到[0,1]区间，这种方法有一个缺陷就是当有新数据加入时，可能导致数据组中最大和最小的变化，需要重新定义。

另一个数据归一化的方法是log函数转换，通过以10为底的log函数转换的方法同样可以实现归一，具体方法如下：

x*＝log10(x)/log10(max)

其中，max为样本数据最大值，但是由于计算量比较复杂，无法用于本实施例中。

本实施例采用的是z-score标准化，也叫标准差标准化，经过处理的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，这种好处在于适用于最大值和最小值未知的情况，或有超出取值范围的离群数据的情况。计算方法如下：

第一步：求出各变量(即指标)的算术平均值(即数学期望)x和标准差 s，数学期望的计算为

标准差计算公式为

第二步：进行标准化处理：

其中：z

第三步：将逆指标前的正负号对调。标准化后的变量值围绕0上下波动，大于0说明高于平均水平，小于0说明低于平均水平。

上述S5为特征提取的过程，记录标准化之后的电压值，若出现电压明显较低的地方，说明遇到了黑色区域，其他红外传感器感知的还是白色区域，以此判断出黑色区域相对于移动载体的位置，作为特征值，用于后续车轮的控制计算。

将本实施例公开的上述基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块安装于智能小车底盘底面上，结构如图12所示，靠近底盘外侧四周设有240个红外对管，内侧通过选通电路、信号跟随电路与控制电路连接，小车底盘上还设有四个万向轮，分别通过电机减速器、电机与控制电路连接。

将本实施例公开的基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块用在循迹小车中时，小车可以在具有黑框方格的赛道中行走，赛道如图13所示。

不难发现，本实施例公开的基于归一化算法的高精度全方位红外定位模块，与现有技术相比，具有如下优点：

1、该模块使用大量红外发射/接受器来判断自身所处位置，保证了定位精度。

2、通过选通电路将240个红外信息转为带时序的16个红外序列，减小后续电路器件的数量和单片机所需引脚的数量。

3、通过远端信号跟随电路和近端信号跟随电路，便于隔离，减小由于长距离控制存在的很大的线路阻抗损耗。

4、可以做位置闭环控制，定位精度高，该模块受外界光源和场地光源影响小，刷新率自己可控，目前1000Hz位置刷新，对应了更高的极限速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。