謝俊 葉忠民 張鵬 李威霖

摘 要：本文基于大型體育場館光環(huán)境檢測的需求，提出了一種全新的方法，可以實現(xiàn)對大型場館光照環(huán)境的全自動測量與測量數(shù)據(jù)分析。該方法利用移動機器人技術(shù)、智能定位技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種技術(shù)手段，構(gòu)建一個完整的軟硬件平臺，可實現(xiàn)對籃球場、足球場等多種大型體育場館光環(huán)境的自動檢測。經(jīng)過實驗對比，該方案具有簡單易用、低成本、高效率、高精度的特點，可以有效地提高檢測效率，具有較大的檢測應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：光環(huán)境；智能定位；傳感器；檢測

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

JGJ153—2007《體育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)》中對體育場館的光照度檢測提出了具體要求，規(guī)定了檢測前需確定檢測點位。由于不同的體育場館有不同的點位數(shù)量和位置要求，因此，人工定位和檢測既煩瑣又費時。另外檢測人員直接進入檢測現(xiàn)場檢測或多或少會對光環(huán)境造成影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果的偏差。

本系統(tǒng)中主要包括光照傳感器系統(tǒng)、運動機器人系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)等5個部分，其中光照傳感器系統(tǒng)、運動機器人系統(tǒng)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)3個部分屬于前端檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)在場館中自動導(dǎo)航至檢測點進行檢測；無線通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)接收前端運動機器人采集到的光照數(shù)據(jù)，生成檢測報告，并且可以發(fā)送指令給運動機器人控制器行進路線。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示（以籃球場為例）。

各子系統(tǒng)功能描述如下：

（1）光照傳感器系統(tǒng)：用于測量場館光照環(huán)境。

（2）運動機器人和定位系統(tǒng)：運動機器人是光照傳感器的移動載體，而定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)方向定位、移動距離定位、檢測點定位，安裝在運動機器人系統(tǒng)上，可以檢測機器人的運動方位和運動距離等信息，以實現(xiàn)機器人在場地內(nèi)的按照設(shè)置好的路線移動。

（3）無線通信系統(tǒng)：實現(xiàn)運動機器人系統(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)：接收運動機器人采集到的光照數(shù)據(jù)；發(fā)送運動命令給運動機器人以控制其行駛路徑、設(shè)置采樣點位置、設(shè)置采樣點個數(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)是精確測量場館內(nèi)光環(huán)境的基本要求。市面上有多種手持光測量儀可選擇，但此類光照測量設(shè)備只能顯示光照度值，無法與控制器通信讀取其測量值。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模塊來感知環(huán)境光照強度。數(shù)字光照傳感器BH1750FVI具有測量范圍廣，測量精度高的特點，適配程度高，量程范圍1-65535lx，可以滿足本系統(tǒng)的測量要求。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的光照強度值。

2 運動機器人和定位系統(tǒng)

運動機器人系統(tǒng)是實現(xiàn)本系統(tǒng)自動檢測的重要組成部分，其用于搭載光照傳感器和定位導(dǎo)航模塊，實現(xiàn)在場館內(nèi)的自動導(dǎo)航測量。運動機器人應(yīng)該滿足移動速度可控、移動距離可控、移動方位多自由度要求。

運動機器人系統(tǒng)是實現(xiàn)本系統(tǒng)自動檢測的重要組成部分，其用于搭載光照傳感器和定位導(dǎo)航模塊，實現(xiàn)在場館內(nèi)的自動導(dǎo)航測量。運動機器人應(yīng)該滿足移動速度可控、移動距離可控、移動方位多自由度要求。

本系統(tǒng)中對于檢測點位的要求較高，要求機器人能夠以較高的效率完成直角彎的行駛過程，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)計的機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作，以使機器人在場地內(nèi)任意兩個檢測點間的運動路線都為直線，最大程度地提高運動范圍和運動效率。為此，運動機器人車輪采用全向的麥克納姆輪，從而使機器人具有在任意點位都具備前后運動、左右平移的全向運動能力。

3 無線通信和數(shù)據(jù)采集軟件

3.1 功能需求定義

光照數(shù)據(jù)采集軟件用于實現(xiàn)對采集到的光照數(shù)據(jù)的顯示和處理。軟件采用串行通信方式與運動機器人通信，機器人采集到的光照數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的顯示在屏幕上。光照采集軟件還具有數(shù)據(jù)處理、遠程控制等功能模塊，其功能定義如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計方法

3.2.1 串行通信方法設(shè)計

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)送對原有程序運行時序的影響，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，觸發(fā)中斷，進行下一個數(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，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幀里，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。下面我們以下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)為例說明如何定義與使用該串行通信協(xié)議。串口通信的關(guān)鍵是通過將數(shù)據(jù)打包成幀格式，放到FIFO中，然后再從FIFO中逐個取數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

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，然后逐個字節(jié)發(fā)送即可。

3.2.4 通信協(xié)議制定

將上位機和下位機之間傳輸?shù)娘L(fēng)機數(shù)據(jù)打包定義成結(jié)構(gòu)體Fan_Info。交換數(shù)據(jù)時發(fā)送一個結(jié)構(gòu)體即包含了所需要的信息。

3.3 上位機軟件

3.3.1 測量主界面

圖4、圖5為 軟件主界面截圖，以籃球場館的光環(huán)境環(huán)境檢測為例，根據(jù)JGJ153—2007《體育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)》計算好檢測點位，規(guī)劃好智能機器人行進路線，其中圖4為全場模式，圖5為半場模式。

3.3.2 測量過程

以半場為例，運動機器人半場檢測行駛路線、檢測點位示意界面和檢測結(jié)果如圖6、圖7所示。機器人運動過程中的行駛路線與行駛狀態(tài)在圖6中實時顯示，圓圈處表示按照檢測標(biāo)準(zhǔn)要求需要檢測該點位的光環(huán)境，檢測結(jié)果會在該圓圈內(nèi)標(biāo)注出檢測值，并同時在軟件主界面中的測量顯示區(qū)實時顯示，如圖7所示。測量完成后，機器人自動停止運動。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

籃球場、網(wǎng)球場、足球場等不同的場館有各自的統(tǒng)一規(guī)格，對各自的檢測點位也均有固定的要求，只需事先預(yù)制各種場館的點位，便無需再做調(diào)試即可進行各種場館的檢測。該裝置簡單易用、低成本、高效率、高精度，可以有效的提高檢測效率和檢測精度，具有較大的檢測應(yīng)用價值。

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，便可實現(xiàn)其他參數(shù)的自動檢測，如電磁場輻射、空氣質(zhì)量等，本文不再討論。

參考文獻

[1]陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動平臺關(guān)鍵技術(shù)研究[J].東方電氣評論，2013（4）：7-11.

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[3]陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動平臺關(guān)鍵技術(shù)研究[J].東方電氣評論，2013（4）：7-11.