清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計探討

撰文/石宇軒

■256603 山東省濱州市北鎮(zhèn)中學(xué) 山東 濱州

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清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計探討

撰文/石宇軒

■256603 山東省濱州市北鎮(zhèn)中學(xué) 山東 濱州

智能清污機(jī)器人可代替人力自動進(jìn)行復(fù)雜水域環(huán)境清污作業(yè)，為避免機(jī)器人在水下運行出現(xiàn)問題，必須要加強(qiáng)機(jī)器人智能避障控制設(shè)計。本文通過有效控制設(shè)計，實現(xiàn)了機(jī)器人對障礙的智能避讓。關(guān)鍵詞：水下清污；清污機(jī)器人；智能避障控制

隨著現(xiàn)代信息和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，機(jī)器人在社會經(jīng)濟(jì)、生活各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。以前的水下清污機(jī)器人，由于智能化水平不高，大多都需要人力進(jìn)行拖動行走，或者由人工在岸上根據(jù)機(jī)器人運動情況進(jìn)行實時操控。本文所研究的清污機(jī)器人，是一種能在水下自動行走并進(jìn)行清潔工作的機(jī)器人，可以有效代替人力在復(fù)雜水域進(jìn)行水下清污作業(yè)。這種清污機(jī)器人具有智能化水平高、控制靈活、工作效率高、成本低等優(yōu)點，可充分滿足新時期水域清污和水域環(huán)境養(yǎng)護(hù)工作的需求。清污機(jī)器人在水下作業(yè)過程中，可能會遇到立柱、墻壁、樹干等障礙物，如何提高清潔機(jī)器人智能避障控制設(shè)計水平，保證機(jī)器人在水下行走中不會出現(xiàn)碰撞、堵死或卡死等情況，是當(dāng)前清潔機(jī)器人研究的重點和難點。本文主要針對水下清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計問題進(jìn)行探討。

水下清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計

a障礙檢測

運動物體的障礙檢測主要分為接觸檢測和非接觸檢測兩種，前者可細(xì)分為微動開關(guān)檢測、壓力傳感器檢測和加速度檢測等幾種；后者可細(xì)分為紅外檢測、循跡檢測、超聲波檢測和接近開關(guān)檢測等幾種。接觸式檢測的原理是機(jī)器人在接觸到障礙物后，通過與障礙物產(chǎn)生互相作用力，并將這種作用力轉(zhuǎn)換為電信號，從而完成障礙檢測。接觸式檢測一般都直接安裝在機(jī)器人主體并浸泡于水中，檢測精度良好，只要遇到障礙物，機(jī)器人就會緊急制動，其缺點是會因較大的慣性而導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞，影響機(jī)器人結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定，降低機(jī)器人的使用壽命。非接觸式的檢測方法是通過傳感器來檢測障礙物，機(jī)器人不需要與障礙物進(jìn)行直接接觸，其缺點是不太適宜安裝在水下。如果安裝在水下，不僅檢測精度會下降，而且投入成本也將較大。故可將其安裝于水面之上，使其保持與機(jī)器人同步運行。在非接觸式檢測方法中，超聲波檢測效果最好，不需要考慮光照影響，也不需要在水下布設(shè)循跡識別物，更不需要非常接近障礙物等，就能比較準(zhǔn)確地測量出障礙物與機(jī)器人的距離，同時，根據(jù)需要控制指令自動設(shè)定避障方案。

b控制電路

在利用超聲波進(jìn)行障礙檢測的過程中，采用HC-SR04超聲檢測模塊。主控電路為51系列單片機(jī)，通過MAX232芯片進(jìn)行信號調(diào)制，然后將信號輸送到超聲波發(fā)生頭，形成超聲信號，利用PNP三極管控制超聲信號的電源通斷，同時，利用74系列的芯片對接收信號進(jìn)行調(diào)制處理，之后，將其輸送給單片機(jī)讀取和運算，最后，計算結(jié)果將反饋到J1端口，從而實現(xiàn)與外部設(shè)備通訊。模塊示意圖見圖1所示。模塊控制通過IO觸發(fā)方式實現(xiàn)，利用單片機(jī)的IO口將TRIG引腳拉低，在此基礎(chǔ)上，單片機(jī)給出一個10sμ 以上的脈沖信號，模塊便發(fā)送8個40kHz的超聲方波信號，并自動檢測是否有信號返回。如果檢測到有信號返回，系統(tǒng)就通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間為超聲波發(fā)射到返回所用的時間。測試距離可表示如下：

其中，s表示測試距離，m、v表示聲音的速度，m/s表示高電平時間。

圖1　超聲檢測模塊

在實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)測量到的障礙距離和機(jī)器人的運行速度，來控制機(jī)器人減速、拐彎避讓或停止運行的時間。

c應(yīng)用程序設(shè)計

控制程序依據(jù)超聲波模塊觸發(fā)和信號讀取要求，通過單片機(jī)與其實現(xiàn)通訊，同時，對機(jī)器人與障礙物的距離進(jìn)行測量，控制機(jī)器人的下一步運動狀態(tài)。具體流程見圖2所示。首先，對端口和功能寄存器進(jìn)行定義，向超聲波模塊發(fā)送20sμ 的觸發(fā)信號，并等待檢測反饋信號。設(shè)置定時器參數(shù)，以單片機(jī)的定時器中斷來作為計時基準(zhǔn)，從而實現(xiàn)測量信號反饋時間的計時統(tǒng)計。完成計時之后，將測試數(shù)據(jù)代入公式（1），就可以計算障礙距離，控制機(jī)器人避障運動。

圖2　控制程序流程

結(jié)語

清污機(jī)器人的障礙檢測和智能避讓，能有效提高機(jī)器人的工作效率和使用壽命，在運動速度適宜的情況下，利用水面隨動超聲波檢測，可以較好地實現(xiàn)水下清污機(jī)器人智能避障控制。

參考：

［1］王曉芳.智能機(jī)器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢［J］.科技視界，2015，33：98-99.

［2］梁辰滔，閆娟，張浩，陳榮華，何濤.環(huán)保型復(fù)合式避障清潔機(jī)器人的設(shè)計［J］.機(jī)械工程師，2015，10：193-194.