多傳感器移動機器人U 型區(qū)域循跡避障技術研究

雷道仲 蔡 瓊

（湖南信息職業(yè)技術學院，湖南 長沙410200）

移動機器人的避障問題一直是大家關注的熱點問題之一，不少專家學者通過自己潛心的研究，得出了一些關于移動機器人的避障策略或算法；形成了相應的研究成果，為移動機器人的發(fā)展與應用起到極大的推動作用。然而，在現(xiàn)實生活中，很多特殊功能的機器人需要進入狹窄不規(guī)則的區(qū)域進行作業(yè)，如U型、L 型區(qū)域等，進入這些特殊的區(qū)域，如果避障策略不當，往往機器人會被“卡死”，需要人為干預才能駛離該區(qū)域。針對這一現(xiàn)象，筆者將基于以上理論研究成果的基礎上，對移動機器人進入U 型區(qū)域的避障策略展開研究，設計出了U 型區(qū)域移動機器人循跡避障策略的硬件平臺和避障策略控制軟件，算法和硬件設計方案。為進入U 型區(qū)域的移動機器人的避障提供科學的設計方案和應對策略。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)組成

針對U 型區(qū)域的特殊性，本系統(tǒng)采用多傳感器協(xié)同循跡避障，系統(tǒng)硬件電路的設計方案如圖1 所示，整個系統(tǒng)由超聲波傳感器、紅外光電傳感器、循跡QTI 傳感器、電源、電機控制系統(tǒng)等幾部分構成。

圖1 系統(tǒng)硬件電路構成框圖

1.2 紅外線收發(fā)對管

紅外線發(fā)射器：紅外線發(fā)射管在LED 封裝行業(yè)中主要有三個常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根據(jù)波長的特性運用的產品也有很大的差異，850NM波長的主要用于紅外線監(jiān)控設備，875NM 主要用于醫(yī)療設備，940NM 波段的主要用于紅外線控制設備。如：紅外線遙控器、光電開關、光電計數(shù)設備等。

紅外線對管應用：本文中，移動機器人的尋跡功能采用紅外線收、發(fā)對管和QTI 循跡共同實現(xiàn)，QTI 巡線傳感器用于對固定路線巡線工作，而紅外線收、發(fā)對管則用于自主巡線功能，具體工作過程如下：兩對紅外線收、發(fā)對管安裝在多傳感器移動機器人底盤正前方，紅外發(fā)射管一直發(fā)射信號，接收管時刻準備接收信號。兩對對著前方的紅外管發(fā)射紅外信號，當前方無遮擋物時，就無信號返回，C51 單片機檢測到無信號，移動機器人就會視為前方無障礙，會繼續(xù)前進；當紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線遇到前方的遮擋物時，信號會被反射回來被接收管所接收，C51 單片機會根據(jù)接收管反饋回來的信號做出相應的處理，如：后退、左轉彎或右轉彎等，要視兩個接收對管反饋的具體情況而進行相應的動作。

1.3 工作原理

移動機器人U 型區(qū)域的循跡避障是由幾種傳感器協(xié)同作用共同完成。具體過程如下：機器人開啟電源，如果機器人底盤下的QTI 巡線傳感器全部返回給單片機的是低電平，則說明移動機器人不是沿著固定的黑色路線循跡，而是需要采用紅外光電管自主循跡避障，此時，系統(tǒng)會將機器人底部尋跡傳感器關閉掉，同時啟動紅外光電傳感器，前面、左右兩側同時啟用，當移動機器人進入如圖1.2 所示的A 區(qū)域時，機器人暢通，左右、前面光電管傳感器返回給單片機的均是低電平，機器人可以繼續(xù)向前行走。當進入B 區(qū)域時，前面與左邊紅外光電傳感器都檢測到高電平時，說明機器人已經到達U 型區(qū)域狹窄的端口位置，這時就需要啟動前面、左邊超聲波傳感器了，超聲波傳感器通過超聲波測量左邊墻壁與機器人的左邊的距離，超聲波測距原理如下，超聲波啟動時，單片機定時器啟動計數(shù)，當超聲波遇到障礙物時返回來，單片機將定時器的時間數(shù)據(jù)除以2，便是單程超聲波傳播的時間，然后乘上超聲波在空氣中傳播的速度，即便得到避障距離。拿測量到的距離與機器人需要調頭的距離進行比較，再決定移動機器人是否還要后退到可以進行調頭的位置，如此反復，便完成U 型區(qū)域避障與循跡的功能，移動機器人才不會“卡死”在U 型區(qū)域。式（1）是超聲波測距公式，因超聲波在常溫下的空氣介質中傳播的速度大約為344m/s。

其中：S 為測量距離，Time

圖2 移動機器人駛入U 型區(qū)域示意圖

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 流程圖

根據(jù)上述硬件系統(tǒng)，設計出了如圖3 所示的移動機器人U型區(qū)域循跡避障系統(tǒng)主程序系統(tǒng)框圖。

圖3 主程序流程圖

2.2 超聲波測距控制

超聲波是一種遠高于人的聽覺范圍的聲波，它具有頻率高、在空氣中傳播快等特點。超聲波傳感器正是利用超聲波的這種特性研制而成的傳感器, 它通過傳送一個超聲波以及超聲波碰撞到前方物體發(fā)出爆裂回聲后返回到傳感器所需時間的輸出脈沖來計算距離的（測距的）。如圖4 所示為超聲波傳感器工作時序圖，首先，在C51 單片機發(fā)送的10us 觸發(fā)脈沖的控制下，超聲波傳感器循環(huán)發(fā)出8 個40 kHz 的（超聲波）爆裂聲，此爆裂聲在空氣中以約1130 英尺每秒的速度傳播，當碰到物體時便反射回到傳感器，此時傳感器會產生一個回響輸出脈沖，向C51單片機表示回波被探測，這個脈沖寬度就是對應于爆裂回聲返回到傳感器所需時間，這個回響電平的輸出與檢測距離成正比。本文應用HC-SR04 位差超聲波距離傳感器作為移動機器人運動的雙眼（測距范圍是：2CM-450CM），C51 單片機作為移動機器人的大腦，隨時判斷和監(jiān)控前方障礙物的距離。

圖4 超聲波傳感器工作時序圖

2.3 超聲波啟動時序控制代碼：

3 結論

根據(jù)實際測試結果，移動機器人在紅外、超聲波傳感器的協(xié)同作用下，能夠在U 型區(qū)域很快完成避障、調頭的功能。這一結果的實現(xiàn)，為移動機器人在其它特殊區(qū)域的循跡與避障工作提供思路。