機(jī)器人避障紅外測(cè)距傳感器性能分析

崔俊宇， 溫秀蘭， 張騰飛， 芮　平

(南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 211167)

0　引言

目前用于機(jī)器人避障的傳感器主要有紅外傳感器、雙目視覺(jué)傳感器、激光測(cè)距儀和超聲波傳感器等[1]。由于雙目視覺(jué)傳感器受環(huán)境影響大且測(cè)量結(jié)果需要進(jìn)行圖像處理，計(jì)算復(fù)雜，不利于實(shí)時(shí)控制；激光測(cè)距儀成本高且易受環(huán)境光的干擾；超聲波存在測(cè)量盲區(qū)的問(wèn)題[2,3]。因此本文選用紅外傳感器進(jìn)行機(jī)器人避障測(cè)距。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、成本低廉，在短距離測(cè)量上已得到廣泛的應(yīng)用[4]。

1　機(jī)器人避障硬件結(jié)構(gòu)

為了提高紅外傳感器實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的效率以及減小測(cè)量的誤差，本文采用埃夫特ER10L-C10機(jī)器人作為載體來(lái)進(jìn)行障礙物測(cè)量實(shí)驗(yàn)?；诩t外測(cè)距傳感器的機(jī)器人避障硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，將紅外測(cè)距傳感器安裝在ER10L-C10機(jī)器人末端的法蘭盤上，通過(guò)阿爾泰USB2817數(shù)據(jù)采集卡獲取電壓輸出信號(hào)。

(a)平面障礙物實(shí)驗(yàn)圖

(b)階梯狀障礙物實(shí)驗(yàn)圖圖1　實(shí)驗(yàn)整體圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)中每運(yùn)動(dòng)1 cm進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集卡每40 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

2　紅外測(cè)距傳感器測(cè)量信號(hào)處理

實(shí)驗(yàn)信號(hào)的采集過(guò)程存在一定的噪聲干擾，如圖2所示。為消除噪聲對(duì)輸出電壓信號(hào)的影響，采用硬件濾波和軟件濾波兩種方法進(jìn)行去噪處理，將兩種方法得到結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)其處理結(jié)果進(jìn)行擬合分析，以便得到紅外測(cè)距傳感器的輸出電壓和測(cè)量距離之間的關(guān)系。

圖2　傳感器輸出信號(hào)圖

2.1　硬件濾波

采用硬件低通濾波的目的是為了降低噪聲干擾，便于后續(xù)信號(hào)處理，所以選擇較為普遍的RC低通濾波器，如圖3所示。在測(cè)量電路中加入RC低通濾波器進(jìn)行試驗(yàn)，并采用最小二乘法擬合測(cè)量距離和輸出電壓之間的關(guān)系[5]。

圖3　硬件濾波器電路圖

2.2　軟件濾波

軟件濾波常用巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器等來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器，巴特沃斯低通濾波器具有最大平坦幅頻響應(yīng)特性、良好的線性相位特性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，且其通帶扁平度和脈沖響應(yīng)度都優(yōu)于其它濾波器[6]。所以本文采用巴特沃斯濾波進(jìn)行軟件濾波，用Matlab編寫(xiě)巴特沃斯濾波程序如下[7]：

Butterworth濾波器：

[B,A]=butter(Wp,Ws,Rp,Rs)

[b,a]=butter(B,A)

[b,a]=butter(B,A,'ftype')

[h,f]=freqz(b,a,n,Fs)

其中，Wp表示通帶截止頻率；Ws表示阻帶截止頻率；Rp表示通帶紋波系數(shù)；Rs表示阻帶紋波系數(shù)；B表示濾波器最小階數(shù)；A表示截止頻率。b，a分別表示階次為B+1的數(shù)字濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分子分母多項(xiàng)式系數(shù)向量；Fs為采樣頻率；n為在區(qū)間[0Fs]頻率范圍內(nèi)選取的頻率點(diǎn)數(shù)；f記錄頻率點(diǎn)數(shù)；ftype取low表示低通濾波器。

將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)上述程序?yàn)V波，再采用最小二乘法來(lái)擬合測(cè)量距離和輸出電壓之間的關(guān)系。

2.3　濾波效果對(duì)比

將硬件濾波和軟件濾波處理之后的數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合，并與理論曲線進(jìn)行對(duì)比，擬合結(jié)果如圖4所示[8]。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)采用軟件濾波和硬件濾波得到的擬合曲線與理論曲線基本一致，濾波效果相似。

圖4　測(cè)量距離和輸出電壓擬合曲線圖

其中，硬件濾波和軟件的擬合曲線和理論曲線相似，證明實(shí)驗(yàn)選用的RC低通濾波硬件方法有效。

在機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了能夠有充足的緩沖距離來(lái)調(diào)整下一步的運(yùn)動(dòng)，要求整個(gè)系統(tǒng)要有較短的反應(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。同時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集以及處理過(guò)程的高效、簡(jiǎn)便、高響應(yīng)性，減小實(shí)驗(yàn)的計(jì)算量，實(shí)驗(yàn)中采用RC低通硬件濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，從而避免軟件濾波對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程可能帶來(lái)的滯后影響。

由圖4可以看出，整個(gè)擬合曲線在測(cè)量距離大于15 cm的區(qū)域波形較穩(wěn)定，實(shí)際操作中也就選用該區(qū)域測(cè)量與障礙物之間的距離。同時(shí)，在紅外測(cè)距傳感器與障礙物的距離達(dá)到85 cm之后時(shí)，其輸出電壓與距離之間的變化關(guān)系開(kāi)始減緩，移動(dòng)2 cm時(shí)才能有明顯的數(shù)值變化。這段距離在之后的機(jī)器人避障系統(tǒng)中可以應(yīng)用于障礙物距離的預(yù)判斷，以及在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遇到障礙物減速的信號(hào)。

3　傳感器數(shù)學(xué)模型

紅外測(cè)距傳感器的輸出電壓和測(cè)量距離之間的關(guān)系呈非線性關(guān)系，且紅外測(cè)距傳感器的測(cè)距信息是機(jī)器人避障的重要依據(jù)，因此需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定和曲線擬合。

由選用的紅外測(cè)距傳感器的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)要求可知，輸出模擬電壓與測(cè)量距離成反比非線性關(guān)系[9]。

將紅外測(cè)距傳感器應(yīng)用于機(jī)器人避障中，要求傳感器在有效測(cè)量范圍內(nèi)精度高，誤差低。由圖4可知該傳感器在15～85 cm的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量靈敏度高，因此選取該測(cè)量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，不同階次下的擬合結(jié)果如圖5所示。觀察圖5擬合曲線與實(shí)際測(cè)量值之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)隨著擬合階次的提高，擬合曲線沒(méi)有特別明顯的變化。計(jì)算1到3階次下各點(diǎn)實(shí)際值與擬合曲線間的殘差平方和，其值分別為222.02695，221.995，215.4958。由此可見(jiàn)，殘差平方隨著擬合階次增加略有減小，但變化不大，在實(shí)際應(yīng)用中為了提高避障速度，選用一次擬合曲線關(guān)系進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9,10]。

(a)一次擬合關(guān)系

(b)二次擬合關(guān)系

(c)三次擬合關(guān)系圖5　模型擬合圖

4　對(duì)障礙物的識(shí)別性能分析

為了將該傳感器應(yīng)用于機(jī)器人避障，對(duì)該傳感器的動(dòng)態(tài)性能提出相應(yīng)的要求，即在動(dòng)態(tài)環(huán)境中能否有效測(cè)量距離、速度變化對(duì)測(cè)量的影響，該傳感器能否有效識(shí)別不同高度差的階梯狀障礙物以及在不同速度下能否有效識(shí)別階梯狀障礙物等。

針對(duì)紅外測(cè)距傳感器在實(shí)際中應(yīng)用能力分析，本文選用動(dòng)態(tài)環(huán)境中紅外測(cè)距傳感器對(duì)障礙物的辨別能力以及對(duì)階梯狀障礙物的識(shí)別能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

4.1　傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集

按照?qǐng)D1(a)所示，使安裝距離傳感器的法蘭正對(duì)測(cè)量物體，控制機(jī)器人以不同速度(機(jī)器人最大運(yùn)動(dòng)速度的5%、10%、15%)運(yùn)動(dòng)，使得紅外測(cè)距傳感器在距障礙物10～120 cm的垂直高度間做往返運(yùn)動(dòng)，連續(xù)采集信號(hào)。擬合輸出電壓信號(hào)和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間的關(guān)系可以得到圖6所示的波形圖。需指出，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量距離為110 cm，當(dāng)機(jī)器人速度增加時(shí)，由于機(jī)器人控制系統(tǒng)的加減速控制，并不能有效增加傳感器的運(yùn)動(dòng)速度，所以實(shí)驗(yàn)的速度控制在機(jī)器人最大運(yùn)動(dòng)速度(約6.23 m/s)的15%之內(nèi)。

圖6(a)表示紅外測(cè)距傳感器分別以最大運(yùn)動(dòng)速度5%、10%、15%的速度從120 cm的高度運(yùn)動(dòng)到10 cm時(shí)的波形圖；圖6(b)表示紅外測(cè)距傳感器分別以最大運(yùn)動(dòng)速度5%、10%、15%的速度從10 cm的高度運(yùn)動(dòng)到120 cm時(shí)的波形圖。

從波形圖可以得到：

(1)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中傳感器對(duì)平面障礙物具有良好的識(shí)別能力，有效測(cè)量范圍內(nèi)的輸出電壓可以用于障礙物距離的判斷；

(2)傳感器運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到機(jī)器人最大運(yùn)動(dòng)速度的15%時(shí)，同樣可以有效擬合出波形，則表明在運(yùn)動(dòng)速度較高的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，紅外測(cè)距傳感器可以有效測(cè)量距離平面障礙物的值。

4.2　階梯狀障礙物識(shí)別

按圖1(b)所示，調(diào)節(jié)紅外傳感器垂直于階梯狀障礙物，控制機(jī)器人法蘭在階梯狀障礙物上方某一固定高度做水平直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行階梯狀障礙物的識(shí)別，結(jié)果如圖7所示。圖中(a)、(b)表示紅外測(cè)距傳感器對(duì)高度差8.3 cm的階梯狀障礙物識(shí)別曲線圖； (c)、(d) 表示紅外測(cè)距傳感器對(duì)高度差12.6 cm的階梯狀障礙物識(shí)別曲線圖； (e)、(f)表示紅外測(cè)距傳感器對(duì)高度差16.5 cm的階梯狀障礙物識(shí)別曲線圖。(標(biāo)示中的負(fù)號(hào)表示目標(biāo)位置低于初始位置；正號(hào)表示目標(biāo)位置高于初始位置)

通過(guò)圖7中多組數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)：

(a)不同速度從高處往低處運(yùn)動(dòng)信號(hào)圖

(b)不同速度從低處往高處運(yùn)動(dòng)信號(hào)圖圖6　傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)圖

(a)-8.3 cm高度差階梯狀障礙物識(shí)別圖

(b)+8.3 cm高度差階梯狀障礙物識(shí)別圖

(c)-12.6 cm高度差階梯狀障礙物識(shí)別圖

(d)+12.6 cm高度差階梯狀障礙物識(shí)別圖

(e)-16.5 cm高度差階梯狀障礙物識(shí)別圖

(f)+16.5 cm高度差階梯狀障礙物識(shí)別圖

(1)紅外測(cè)距傳感器可以識(shí)別出階梯狀的障礙物，其輸出信號(hào)呈階梯狀，且階梯處的信號(hào)連接是一斜線，不是豎直的直線；

(2)隨著階梯狀障礙物階梯高度差的增加，階梯處信號(hào)的傾斜角也有所增大；

(3)在階梯狀障礙物礙物識(shí)別過(guò)程中，傳感器從低處往高處運(yùn)動(dòng)時(shí)，傾斜角度比從高處往低處運(yùn)動(dòng)的角度略大。傾斜角存在的原因是當(dāng)紅外測(cè)距傳感器距離障礙物越遠(yuǎn)時(shí)，光束在障礙物表面所形成的光斑也就越大，則會(huì)造成發(fā)射信號(hào)接收的不穩(wěn)定從而導(dǎo)致信號(hào)擬合時(shí)存在上述角度問(wèn)題。

此外，本文還開(kāi)展了速度變化對(duì)階梯狀障礙物識(shí)別能力的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)輸出電壓與障礙物測(cè)量距離進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)速度增加后，紅外測(cè)距傳感器對(duì)階梯狀障礙物的識(shí)別能力有所下降。

5　結(jié)語(yǔ)

本文在搭建基于紅外測(cè)距傳感器的機(jī)器人避障硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)RC低通硬件濾波、巴特沃斯軟件濾波對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，可以有效減小信號(hào)噪聲，采用最小二乘法擬合紅外測(cè)距傳感器的輸出電壓與測(cè)量距離之間的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)利用紅外測(cè)距傳感器在動(dòng)態(tài)環(huán)境中可以有效辨別出平面障礙物的距離以及紅外測(cè)距傳感器運(yùn)動(dòng)速度不太高時(shí)，能有效識(shí)別出階梯狀障礙物。但當(dāng)傳感器運(yùn)動(dòng)速度高于機(jī)器人最大運(yùn)動(dòng)速度的5%時(shí)，對(duì)于階梯狀障礙物識(shí)別能力有所下降，在后續(xù)工作中將針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入相關(guān)研究。

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