運(yùn)動(dòng)機(jī)器人避障系統(tǒng)的研究

陳子恒 陳孝云

摘 ? 要：機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中有很多廣闊的應(yīng)用。近年來(lái)，自動(dòng)化，智能化技術(shù)的進(jìn)步不斷推動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。智能躲避障礙物，合理規(guī)劃路線是運(yùn)動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本文研究了機(jī)器人通過(guò)超聲波傳感器測(cè)距避障的工作原理，并在軟硬件上加以實(shí)現(xiàn)。又提出基于脈沖半導(dǎo)體激光器可以更加準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)距和避障的實(shí)現(xiàn)方案，為深入研究自動(dòng)避障機(jī)器人進(jìn)行精密動(dòng)作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：超聲波 ?激光 ?測(cè)距 ?避障

中圖分類號(hào)：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0091-02

自動(dòng)化，智能化，不斷推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化飛速發(fā)展。運(yùn)動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮螅瑖?guó)家社會(huì)服務(wù)、生產(chǎn)生活等各個(gè)行業(yè)都有很大的幫助。運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的高質(zhì)量、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作是國(guó)內(nèi)外工程師近年來(lái)研究熱點(diǎn)。其中需要解決的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的智能避障和智能控制，是開(kāi)展運(yùn)動(dòng)機(jī)器人研究的重要基礎(chǔ)問(wèn)題。避障使用的傳感器主要有超聲傳感器、激光傳感器等，本文通過(guò)對(duì)超聲測(cè)距、激光測(cè)距的研究，力求保證機(jī)器人行動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生碰撞，延長(zhǎng)機(jī)器人使用壽命，增加穩(wěn)定性[1]。

1 ?機(jī)器人避障技術(shù)

機(jī)器人躲避障礙，進(jìn)行自如行走，主要的原理，就是對(duì)障礙物所處的位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，之后根據(jù)程序設(shè)定的閾值，再控制機(jī)器人的行走軌跡。為了精準(zhǔn)測(cè)距，我們首先設(shè)計(jì)了通過(guò)超聲波傳感器測(cè)距的方法，測(cè)量機(jī)器人和障礙目標(biāo)的位置，然后在給機(jī)器人以動(dòng)作。

1.1 超聲波測(cè)距避障的原理

超聲波測(cè)距作為一種典型的非接觸式測(cè)量方法，具有易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)[2]。超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，測(cè)距的原理如圖1所示。

超聲波在空氣中的傳播速度為已知，首先超聲波發(fā)射探頭發(fā)射產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)遇到障礙物返回，返回信號(hào)由超聲波接收探頭接收后經(jīng)放大檢波，通過(guò)測(cè)量從發(fā)射到接收到信號(hào)過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間差Δt后，再利用，計(jì)算得到發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。[3]超聲波測(cè)距的單片機(jī)控制部分主要分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個(gè)部分。主要流程如圖2所示。

主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出、數(shù)碼管顯示等工作。主程序首先是對(duì)超聲波模塊初始化，通過(guò)延時(shí)函數(shù)產(chǎn)生10us的高電平，再將計(jì)數(shù)器初始化，判斷超聲波接收端是否收到回波，進(jìn)而執(zhí)行外部中斷程序。單片機(jī)主程序通過(guò)控制超聲波的發(fā)射和接收，以及時(shí)間的讀取，通過(guò)計(jì)算最終得到結(jié)果，輸出在數(shù)碼管顯示等工作。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1ms后接收返回的超聲波信號(hào)。

具體實(shí)現(xiàn)中，我們使用STC89C51單片機(jī)和HC-SR04超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)了一套超聲波測(cè)距和避障的系統(tǒng)，采集到的距離信息通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。

1.2 脈沖激光測(cè)距的原理

從不斷測(cè)試機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)看，超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控，由于傳感器局限性，超聲波輻射角度范圍寬，導(dǎo)致其工作的誤差比較大，在一些復(fù)雜環(huán)境，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷。激光傳感器因?yàn)榉较蛐院谩⒘炼雀?、相干性好等?yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域中[4-5]?？紤]到工作壽命、經(jīng)濟(jì)因素，可以選取半導(dǎo)體激光脈沖測(cè)距傳感器，其工作原理如圖3所示。

半導(dǎo)體激光器發(fā)射的脈沖激光碰到待測(cè)目標(biāo)后反射，反射光被測(cè)距系統(tǒng)的光電探測(cè)器接收并放大。以發(fā)射光脈沖信號(hào)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)時(shí)刻，接收光脈沖信號(hào)為計(jì)時(shí)結(jié)束，通過(guò)計(jì)算兩者之間的時(shí)間，即可獲得激光往返于測(cè)距系統(tǒng)和目標(biāo)之間所需要的時(shí)間t，進(jìn)而可以算出兩者之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人目前行走準(zhǔn)確狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。激光直線傳輸，測(cè)距更加精確，在機(jī)器人軌跡準(zhǔn)確控制和對(duì)精度要求較高的復(fù)雜環(huán)境中，基于半導(dǎo)體激光器進(jìn)行測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是非常明顯。

2 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)超聲波和激光測(cè)距，可以測(cè)定障礙物和目標(biāo)的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，可以幫助機(jī)器人在碰到障礙物進(jìn)行躲避，規(guī)劃新的前進(jìn)路線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的避障應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗟財(cái)U(kuò)大，應(yīng)用復(fù)雜程度也越來(lái)越高。

參考文獻(xiàn)

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