不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統(tǒng)研究

侯擇堯，祁宇明，周鴻超，周旺發(fā)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津 300350）

0　引言

AGV能實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確控制和對(duì)軌跡的跟蹤，輔以智能控制等相關(guān)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)生產(chǎn)帶來極大的幫助。目前AGV避障可采用超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和視覺傳感器等。使用紅外傳感器的三角測(cè)距方法雖然成本低，但避障效果不可靠，對(duì)于黑色物體就無法有效躲避；使用激光傳感器對(duì)于玻璃等透明物體的探測(cè)還是受限于光束的物理特性，無法全部有效探測(cè)；使用視覺傳感器成本比較高，現(xiàn)階段技術(shù)還不完善，存在探測(cè)盲區(qū)的問題，使用超聲波傳感器能克服以上不足，但要排除不同溫濕度的影響[1]。

本文對(duì)不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，運(yùn)用Arduino單片機(jī)[2]，通過建立數(shù)學(xué)模型，在溫濕度不同時(shí)，測(cè)得與障礙物之間的距離，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，在溫濕度不同時(shí)測(cè)得的距離差異并無太大的不同，對(duì)AGV避障預(yù)警具有重要意義[3]。

1　設(shè)計(jì)原理

1.1　AGV避障系統(tǒng)的組成

本文研究的AGV避障系統(tǒng)一共由5部分構(gòu)成。第1部分是由Arduino單片機(jī)的控制板和Arduino單片機(jī)的外層電路構(gòu)成；第2部分是由超聲波發(fā)射和接收器構(gòu)成；第3部分是由檢測(cè)溫濕度的傳感器構(gòu)成；第4部分是由能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)的器件構(gòu)成；最后一部分是由具有在突發(fā)意外情況下報(bào)警的警報(bào)裝置構(gòu)成，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。超聲波測(cè)距裝置與障礙物之間的距離是通過超聲波發(fā)出的時(shí)間與收到超聲波的反射時(shí)間之差來確定的，同時(shí)配備一塊1 602液晶顯示屏，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便實(shí)驗(yàn)者觀察。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2　超聲波測(cè)距原理

在此次實(shí)驗(yàn)中，超聲波測(cè)距的運(yùn)用的超聲波形式為脈沖反射式。超聲波測(cè)距的過程是首先向一個(gè)預(yù)定的方位發(fā)射，在發(fā)射的同一時(shí)刻需要記錄下時(shí)間，在發(fā)射出去進(jìn)行傳播的過程中如果傳播的前方存在阻礙，便會(huì)被反射回來即沿著反射的方向傳播，之后便會(huì)被接收裝置探測(cè)到，同時(shí)記錄下接收到的時(shí)刻，經(jīng)過一定的計(jì)算便可得知傳播的距離，這便是超聲波測(cè)距的原理。根據(jù)不同溫度和濕度對(duì)超聲波在空氣中傳播速度的影響，折算出溫濕度系數(shù)k，測(cè)得超聲波裝置與障礙物之間距離的不同數(shù)值，去判斷溫濕度不同時(shí)對(duì)AGV避障報(bào)警的影響，通過計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。

超聲波傳播速度為：

溫濕度系數(shù)k為：

發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S為：

式中：t0=（T2-T1）/2，t0是超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔的一半，T1是超聲波發(fā)射的時(shí)刻，T2是超聲波接收的時(shí)刻，t為攝氏溫度，Pw是空氣中水蒸氣的分壓強(qiáng)，P是大氣壓強(qiáng)，△t是超聲波從發(fā)射到接受的時(shí)間間隔，S是發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，V是超聲波在空氣中的傳播速度。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1　Arduino控制板

本實(shí)驗(yàn)需要12路數(shù)字信號(hào)輸入輸出接口，Arduino Mega2560單片機(jī)能夠滿足本實(shí)驗(yàn)要求[4]，其核心電路板是ATmega2560.

2.2　超聲波模塊

本實(shí)驗(yàn)用的超聲波模塊為HC-SR04，其需要通過IO觸發(fā)來達(dá)到測(cè)量距離的目的。當(dāng)給它一個(gè)10 us的高電平信號(hào)之后，它便會(huì)產(chǎn)生8個(gè)40 kHz的方波，如果接收不到返回的信號(hào)，便不會(huì)輸出高電平，反之相反，其整個(gè)過程所需要的時(shí)間和超聲波由發(fā)射傳播到接收的時(shí)間長(zhǎng)短相等。

2.3　液晶顯示模塊

本實(shí)驗(yàn)采用的顯示器型號(hào)為L(zhǎng)CD1602，采用它的好處優(yōu)勢(shì)很多很明顯，譬如屏幕顯示信息清晰、本身體積小占用空間少、耗能少節(jié)約能源等。

2.4　實(shí)驗(yàn)電路連接

各個(gè)模塊與Arduino板連接的電路圖如圖2所示，實(shí)物連接圖如圖3所示。

圖2　電路連接圖

圖3　實(shí)物連接圖

3　上位機(jī)編程

在本實(shí)驗(yàn)中，其流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化完成之后超聲波傳感裝置產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)開始傳播，在信號(hào)傳播的過程中若遇到障礙，便會(huì)發(fā)生反射，會(huì)沿著反射的方向進(jìn)行傳播，經(jīng)過一定的時(shí)間，信號(hào)便會(huì)被接收裝置接收，由發(fā)射到接收的時(shí)間信息會(huì)被送到Arduino控制板上，計(jì)算得到其傳播的距離，其距離的數(shù)值會(huì)在液晶屏上顯示出。環(huán)境溫度的信息也會(huì)送至Arduino控制板上處理后顯示出來[5-6]。

圖4　實(shí)驗(yàn)流程圖

超聲波測(cè)距子程序如下：

void loop（）

//產(chǎn)生一個(gè)10us的高脈沖去觸發(fā)TrigPin 3333333333333333

digitalWrite（TrigPin1，HIGH）；

delayMicroseconds（10）；

digitalWrite（TrigPin1，LOW）；

distance[0]=pulseIn（EchoPin1，HIGH）/58；delay（60）；//延時(shí) 60ms

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文將各個(gè)模塊和相關(guān)線路、實(shí)驗(yàn)板與Arduino控制板結(jié)合起來可視為AGV本體，其超聲波模塊及其相關(guān)控制部分作為AGV避障系統(tǒng)，使用一個(gè)5 cm×5 cm固體小盒作為障礙物，保證超聲波裝置與障礙物之間的距離固定為2 m，在溫度在20℃～45℃，濕度45%～70%之間（即溫度和濕度均屬于常規(guī)范圍內(nèi)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)封閉的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行經(jīng)過測(cè)試，采用空調(diào)控制溫度，采用加濕器提高濕度，去濕機(jī)降低室內(nèi)濕度，并采用溫濕度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫濕度并及時(shí)調(diào)控，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得到了不同溫濕度下AGV與障礙物之間距離值[7]。實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表1所示。

表1　不同溫濕度下AGV與障礙物之間的固定距離

按照溫度和濕度對(duì)應(yīng)的情況，測(cè)得上表兩組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均是由五次測(cè)量取的平均值，由第一組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為20℃、濕度為45%時(shí)AGV與障礙物之間的固定距離為40.15 cm，溫度為45℃、濕度為70%時(shí)AGV與障礙物之間的固定距離為40.09 cm，距離相差很小，在實(shí)際應(yīng)用中這種差值可以忽略，而且從最小溫濕度到最大溫濕度，AGV與障礙物之間的固定距離沒有連續(xù)變化的規(guī)律，而是隨機(jī)的。在不同時(shí)間下測(cè)得另一組數(shù)據(jù)顯示的規(guī)律與第一組數(shù)據(jù)一致，而且這兩組數(shù)據(jù)結(jié)果差值很小，在實(shí)際應(yīng)用中也可以忽略。以上數(shù)據(jù)證明在不同溫濕度時(shí)測(cè)得的距離差異不大，對(duì)AGV避障基本無影響。

5　結(jié)束語

本文基于不同溫濕度條件下AGV避障系統(tǒng)研究，通過測(cè)試在常規(guī)溫濕度不同時(shí)AGV與障礙物之間的固定距離的差異，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，表明在溫濕度不同時(shí)測(cè)得的距離差異并無太大的不同，對(duì)AGV在不同溫濕度情況下避障預(yù)警具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[7]溫 和，王 水，滕召勝，等.噪聲影響下的高準(zhǔn)確度介損角測(cè)量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（4）：780-785.