運(yùn)動機(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，自動化，智能化技術(shù)的進(jìn)步不斷推動運(yùn)動機(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)器人通過超聲波傳感器測距避障的工作原理，并在軟硬件上加以實現(xiàn)。又提出基于脈沖半導(dǎo)體激光器可以更加準(zhǔn)確進(jìn)行測距和避障的實現(xiàn)方案，為深入研究自動避障機(jī)器人進(jìn)行精密動作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：超聲波 ?激光 ?測距 ?避障

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

自動化，智能化，不斷推動工業(yè)自動化飛速發(fā)展。運(yùn)動機(jī)器人市場發(fā)展?jié)摿薮螅瑖疑鐣?wù)、生產(chǎn)生活等各個行業(yè)都有很大的幫助。運(yùn)動機(jī)器人的高質(zhì)量、長時間穩(wěn)定工作是國內(nèi)外工程師近年來研究熱點。其中需要解決的運(yùn)動機(jī)器人的智能避障和智能控制，是開展運(yùn)動機(jī)器人研究的重要基礎(chǔ)問題。避障使用的傳感器主要有超聲傳感器、激光傳感器等，本文通過對超聲測距、激光測距的研究，力求保證機(jī)器人行動過程中不發(fā)生碰撞，延長機(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，就是對障礙物所處的位置進(jìn)行準(zhǔn)確測量，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)測距，我們首先設(shè)計了通過超聲波傳感器測距的方法，測量機(jī)器人和障礙目標(biāo)的位置，然后在給機(jī)器人以動作。

1.1 超聲波測距避障的原理

超聲波測距作為一種典型的非接觸式測量方法，具有易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點[2]。超聲波測距實驗原理相對比較簡單，測距的原理如圖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，脈沖信號遇到障礙物返回，返回信號由超聲波接收探頭接收后經(jīng)放大檢波，通過測量從發(fā)射到接收到信號過程所經(jīng)歷的時間差Δt后，再利用，計算得到發(fā)射點到障礙物的實際距離。[3]超聲波測距的單片機(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)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出、數(shù)碼管顯示等工作。主程序首先是對超聲波模塊初始化，通過延時函數(shù)產(chǎn)生10us的高電平，再將計數(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)主程序通過控制超聲波的發(fā)射和接收，以及時間的讀取，通過計算最終得到結(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)，需要延時約0.1ms后接收返回的超聲波信號。

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

1.2 脈沖激光測距的原理

從不斷測試機(jī)器人運(yùn)動過程來看，超聲波測距實現(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，會出現(xiàn)錯誤的判斷。激光傳感器因為方向性好、亮度高、相干性好等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在自動控制的各個領(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目標(biāo)后反射，反射光被測距系統(tǒng)的光電探測器接收并放大。以發(fā)射光脈沖信號為計時起點時刻，接收光脈沖信號為計時結(jié)束，通過計算兩者之間的時間，即可獲得激光往返于測距系統(tǒng)和目標(biāo)之間所需要的時間t，進(jìn)而可以算出兩者之間的距離，從而實現(xiàn)機(jī)器人目前行走準(zhǔn)確狀態(tài)的實時監(jiān)控。激光直線傳輸，測距更加精確，在機(jī)器人軌跡準(zhǔn)確控制和對精度要求較高的復(fù)雜環(huán)境中，基于半導(dǎo)體激光器進(jìn)行測距的優(yōu)點是非常明顯。

2 ?結(jié)語

通過超聲波和激光測距，可以測定障礙物和目標(biāo)的距離，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等動作，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。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動機(jī)器人的避障應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗟財U(kuò)大，應(yīng)用復(fù)雜程度也越來越高。

參考文獻(xiàn)

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