不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統研究

侯擇堯，祁宇明，周鴻超，周旺發

（1.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創機器人技術有限公司，天津 300350）

0　引言

AGV能實現對位置的精確控制和對軌跡的跟蹤，輔以智能控制等相關設計會對生產帶來極大的幫助。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距方法雖然成本低，但避障效果不可靠，對于黑色物體就無法有效躲避；使用激光傳感器對于玻璃等透明物體的探測還是受限于光束的物理特性，無法全部有效探測；使用視覺傳感器成本比較高，現階段技術還不完善，存在探測盲區的問題，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]。

本文對不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統的性能進行了研究，運用Arduino單片機[2]，通過建立數學模型，在溫濕度不同時，測得與障礙物之間的距離，經過大量的試驗，在溫濕度不同時測得的距離差異并無太大的不同，對AGV避障預警具有重要意義[3]。

1　設計原理

1.1　AGV避障系統的組成

本文研究的AGV避障系統一共由5部分構成。第1部分是由Arduino單片機的控制板和Arduino單片機的外層電路構成；第2部分是由超聲波發射和接收器構成；第3部分是由檢測溫濕度的傳感器構成；第4部分是由能夠實時顯示數據的器件構成；最后一部分是由具有在突發意外情況下報警的警報裝置構成，其系統整體結構框圖如圖1所示。超聲波測距裝置與障礙物之間的距離是通過超聲波發出的時間與收到超聲波的反射時間之差來確定的，同時配備一塊1 602液晶顯示屏，記錄實驗數據，方便實驗者觀察。

圖1　系統整體結構框圖

1.2　超聲波測距原理

在此次實驗中，超聲波測距的運用的超聲波形式為脈沖反射式。超聲波測距的過程是首先向一個預定的方位發射，在發射的同一時刻需要記錄下時間，在發射出去進行傳播的過程中如果傳播的前方存在阻礙，便會被反射回來即沿著反射的方向傳播，之后便會被接收裝置探測到，同時記錄下接收到的時刻，經過一定的計算便可得知傳播的距離，這便是超聲波測距的原理。根據不同溫度和濕度對超聲波在空氣中傳播速度的影響，折算出溫濕度系數k，測得超聲波裝置與障礙物之間距離的不同數值，去判斷溫濕度不同時對AGV避障報警的影響，通過計時器記錄的時間，就可以計算出發射點距障礙物的距離。

超聲波傳播速度為：

溫濕度系數k為：

發射點距障礙物的距離S為：

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

2　硬件設計

2.1　Arduino控制板

本實驗需要12路數字信號輸入輸出接口，Arduino Mega2560單片機能夠滿足本實驗要求[4]，其核心電路板是ATmega2560.

2.2　超聲波模塊

本實驗用的超聲波模塊為HC-SR04，其需要通過IO觸發來達到測量距離的目的。當給它一個10 us的高電平信號之后，它便會產生8個40 kHz的方波，如果接收不到返回的信號，便不會輸出高電平，反之相反，其整個過程所需要的時間和超聲波由發射傳播到接收的時間長短相等。

2.3　液晶顯示模塊

本實驗采用的顯示器型號為LCD1602，采用它的好處優勢很多很明顯，譬如屏幕顯示信息清晰、本身體積小占用空間少、耗能少節約能源等。

2.4　實驗電路連接

各個模塊與Arduino板連接的電路圖如圖2所示，實物連接圖如圖3所示。

圖2　電路連接圖

圖3　實物連接圖

3　上位機編程

在本實驗中，其流程如圖4所示。系統初始化完成之后超聲波傳感裝置產生脈沖信號，信號開始傳播，在信號傳播的過程中若遇到障礙，便會發生反射，會沿著反射的方向進行傳播，經過一定的時間，信號便會被接收裝置接收，由發射到接收的時間信息會被送到Arduino控制板上，計算得到其傳播的距離，其距離的數值會在液晶屏上顯示出。環境溫度的信息也會送至Arduino控制板上處理后顯示出來[5-6]。

圖4　實驗流程圖

超聲波測距子程序如下：

void loop（）

//產生一個10us的高脈沖去觸發TrigPin 3333333333333333

digitalWrite（TrigPin1，HIGH）；

delayMicroseconds（10）；

digitalWrite（TrigPin1，LOW）；

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

4　實驗結果

本文將各個模塊和相關線路、實驗板與Arduino控制板結合起來可視為AGV本體，其超聲波模塊及其相關控制部分作為AGV避障系統，使用一個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范圍內）進行實驗。實驗是在一個封閉的實驗室內進行經過測試，采用空調控制溫度，采用加濕器提高濕度，去濕機降低室內濕度，并采用溫濕度計實時監測室內的溫濕度并及時調控，經過實驗，得到了不同溫濕度下AGV與障礙物之間距離值[7]。實驗條件和結果如表1所示。

表1　不同溫濕度下AGV與障礙物之間的固定距離

按照溫度和濕度對應的情況，測得上表兩組數據，每組數據均是由五次測量取的平均值，由第一組數據發現當溫度為20℃、濕度為45%時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AGV與障礙物之間的固定距離為40.09 cm，距離相差很小，在實際應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變化的規律，而是隨機的。在不同時間下測得另一組數據顯示的規律與第一組數據一致，而且這兩組數據結果差值很小，在實際應用中也可以忽略。以上數據證明在不同溫濕度時測得的距離差異不大，對AGV避障基本無影響。

5　結束語

本文基于不同溫濕度條件下AGV避障系統研究，通過測試在常規溫濕度不同時AGV與障礙物之間的固定距離的差異，經過大量的試驗，表明在溫濕度不同時測得的距離差異并無太大的不同，對AGV在不同溫濕度情況下避障預警具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳 雷.點評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術，2012（2）：19-23.

[2]何立民.單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

[3]劉楚紅，董 鎮，錢宇捷，等.基于Arduino的倒車雷達系統設計[J].現代電子技術，2014，37（17）：148-150，153.

[4]夏路易.智能儀表設計與接口技術[M].太原：太原理工大學出版社，2009.

[5]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京：北京航天航空出版社，2014：5-6.

[6]Arduino Software Release Notes.Arduino Project[Z].2011.

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