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基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2016/11/2


  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。


  基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板

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。


  基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板


  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)針對小車的定位演示系統(tǒng)。系統(tǒng)由定位平臺(tái)、定位對象(小車)、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)、Android監(jiān)視終端組成。當(dāng)定位對象在定位平臺(tái)上靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí),通過分析傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算出其在物理空間中的絕對位置坐標(biāo)(X,Y),該位置屬性經(jīng)過映射,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。


  基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板


  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)的絕對位置及運(yùn)動(dòng)路徑。


 、谶\(yùn)動(dòng)控制模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過LabVIEW程序控制小車的運(yùn)動(dòng),通過藍(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)向力對定位精度的影響。


  ③遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)通過Android手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視小車的位置,PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)向遠(yuǎn)程終端廣播小車的位置信息。


  2.2 定位平臺(tái)的設(shè)置


  定位平臺(tái)由16個(gè)傳感器和4塊玻璃板組成,總面積為70×70 cm2,分為4個(gè)單元。傳感器采用輪輻式壓力傳感器(型號(hào)為BK-4)。傳感器自身集成有電橋,對外有4條引線,分別為電源Vbg、GND、信號(hào)+和信號(hào)-。由于傳感器輸出的信號(hào)微弱(μV~mV級),因此需要對信號(hào)進(jìn)行放大。本系統(tǒng)采用的放大器為AD623。


  為確保定位的準(zhǔn)確,定位平臺(tái)需要調(diào)平。當(dāng)定位平臺(tái)不平時(shí),即當(dāng)傳感器高度不一致,在圖1所示的四支點(diǎn)定位模型中可能會(huì)有1或2個(gè)支點(diǎn)處于不受力的懸空狀態(tài),即“虛腿”現(xiàn)象!疤撏取爆F(xiàn)象將改變四支點(diǎn)平臺(tái)力的分布,從而不能應(yīng)用四支點(diǎn)公式求重心位置。周祖濂通過數(shù)學(xué)模型證明了在四支點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的四個(gè)支點(diǎn)能夠同時(shí)受力,即“虛腿”現(xiàn)象可以通過調(diào)平來避免。


  四支點(diǎn)平臺(tái)的簡單調(diào)平通常采用向最高支撐靠攏的方法,即通過墊片調(diào)節(jié)4個(gè)支點(diǎn)中高度較低的3個(gè),使其與最高支點(diǎn)高度一致從而調(diào)平臺(tái)面。本系統(tǒng)通過在傳感器下墊紙片的方法調(diào)平定位平臺(tái)。


  3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)


  本系統(tǒng)上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)采用NI公司推出的LabVIEW 2013。設(shè)計(jì)的軟件界面如圖3所示。


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  3.1 定位顯示模塊


  定位顯示模塊的輸入為16個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù),經(jīng)過濾波和計(jì)算,輸出為定位平臺(tái)上物體重心的位置。位置顯示方式包括文本坐標(biāo)和二維圖片,路徑顯示方式為XY圖。定位顯示流程如圖4所示。


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  3.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊


  運(yùn)動(dòng)控制模塊是通過在PC機(jī)和小車間建立藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)的。不具備藍(lán)牙功能的PC機(jī)可通過藍(lán)牙適配器和BlueSoleil軟件實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能,小車端通過UART接口連接一藍(lán)牙透傳模塊,此時(shí),PC機(jī)端和小車端建立了虛擬串口連接,LabVIEW端通過VISA串口通信編程實(shí)現(xiàn)向小車發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。本模塊可完成對小車的速度控制以及前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制。


  3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊


  遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊中,PC機(jī)為位置管理服務(wù)器,Android終端為客戶機(jī),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分布式Publisher-Subscriber模式,PC機(jī)為所有注冊的Android終端提供位置查詢服務(wù)。


  遠(yuǎn)程監(jiān)視模塊采用了跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信插件SCCT。SCCT(Smart PhoneCross-Plat-form Communication Toolkit,智能手機(jī)跨平臺(tái)通信包)是由T4SM(Tools for Smart Minds Software Solutions)公司研發(fā)的、支持多種平臺(tái)和編程語言的開發(fā)包,用于多種平臺(tái)與LabVIEW平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SCCT支持的操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、iOS、Android、Phone7,支持的編程語言包括LabVIEW、Java、C、Object C、.NET和Javascript(HTML5)。本系統(tǒng)中,LabVIEW端采用SCCTPublisher Library提供的VI實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證請求連接的訂閱者身份、檢查連接狀態(tài)、廣播數(shù)據(jù)至所有活動(dòng)狀態(tài)的訂閱者以及接收訂閱者請求的功能,Android端采用SCCT Subscriber Library提供的API實(shí)現(xiàn)發(fā)送請求至發(fā)布者、接收數(shù)據(jù)并提交至界面進(jìn)行顯示等功能。


  基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板


  4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析


  系統(tǒng)測試場景如圖7所示。


  基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板


  經(jīng)測試,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對小車的定位顯示、運(yùn)動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能。


  在定位精度的測試中,在平臺(tái)上畫有位置參照網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長為1 cm。在定位平臺(tái)上隨機(jī)選取10個(gè)測試點(diǎn),在每個(gè)點(diǎn)處施加壓力,測量6次,記錄軟件計(jì)算出的坐標(biāo),并與實(shí)際網(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)行比較。在數(shù)據(jù)分析過程中,定義以下概念:


 、倨頧p、Yp。假設(shè)在物理平臺(tái)上測試點(diǎn)的網(wǎng)格坐標(biāo)取值范圍為X∈[a,b],Y∈[c,d](a、b、c、d為非負(fù)整數(shù),b-a=d-c=1,單位為cm)通過軟件求得的坐標(biāo)為(x,y),定義偏差Xp、Yp:


  基于壓力傳感觸控技術(shù)的室內(nèi)定位地板


  經(jīng)測試,P=0.6 cm,D=1.8 cm。因此,單塊智能地板的定位絕對誤差在2 cm內(nèi)。在智能地板特性不變的前提下,由多塊智能地板拼成的更大面積定位空間的定位絕對誤差也在2 cm內(nèi)。


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