智能移動機器人的多傳感器控制避障研究

彭緩緩，郭毅鋒，李 健，黃麗敏

（廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006）

1 引言

智能移動機器人研究的焦點是如何在復雜環境中選取最優路徑的同時還要避開障礙物，要實現機器人行走的自動控制，首要是快速理解周圍的環境情況，并將其轉化為控制命令，來確保機器人在移向給定目標位置處時能夠穩定、安全地避開所有阻礙前行的物體[1]。

傳感器獲取到的障礙物距離數值是移動機器人感知所處周圍環境信息的主要來源，更是機器人了解環境并驅動電機來完成相應任務的依據。多傳感器的出現使機器人可以從不同的層面，不同的方位來感知錯綜復雜的周邊環境，以便讓機器人做出正確的決策[2]。

采用四探頭一體超聲波的四個探頭和多個紅外傳感器來勘查周圍阻礙機器人前行的不同物體距離情況，并測出機器人的中心到各個物體的間距值。將采集到的障礙物距離信息輸送到主控電路去支配機器人的左右輪運轉速率從而完成機器人精準避開障礙物的任務。經過實物測試驗證了該方法的可行性。

2 移動機器人的系統結構

由安置在底座前方的一個萬向輪和底座后左、右方的兩個驅動輪構成移動機器人的執行單元，實際運行軌跡是安置在底座后左、右方的驅動輪采用差速進行控制，控制系統的設計，如圖1所示。機器人朝著給定位置處運行，當與檢測到的物體間距是（20～40）cm（>40cm）時，主要由紅外傳感器（四探頭一體防水超聲波）把相應的距離信息傳送到STM32F407 主控電路，控制電路對傳送過來的數據信息進行分析，通過機器人專用輪轂電機控制機器人左右輪的運行速度以及運行姿態，進而使機器人在其活動范圍內躲避阻礙物體。

圖1 控制系統的設計圖Fig.1 Design Diagram of Control System

3 感知系統

智能移動機器人避障的研究一直是機器人關鍵技術中備受關注的重要部分，這些研究中的周圍環境被描述為靜態或者已知。而我們現實生活中的環境是動態的、未知的。有很多任務要求機器人在未知和動態的障礙下安全地移動，安全到達目的地是一個至關重要的因素。通過選擇最合適的傳感器對機器人周圍物體距離的分析，可以及時了解到機器人身邊是否存在障礙物。因此，主要選用了四探頭一體防水超聲波和GP2Y0A02 共同構成整個感知系統。

3.1 主控電路設計

主控模塊主要是進行各種信息數據的處理，可以讓每一個功能模塊都能更好的來完成它們各自的任務。主控芯片選用的是STM32F407，它為更多傳感器的使用提供了豐富的IO 口，另外還有通用同步異步收發器（USART）、AD（12 位，1us，分時 24 道）等。主控電路原理圖，如圖2 所示。

圖2 主控電路原理圖Fig.2 Master Control Circuit Schematic Diagram

3.2 超聲波測距接口設計

檢測發射至收到回波的時間間隔來計算出對應距離數值的渡越時間檢測法也是超聲波測距原理其一，它主要應用于高實時性的地方[3]。選用測量距離（0.3～2.5）m，具有在空氣中傳播的效率最佳的工作頻率40kHz，有開機自動探測障礙物、抗電磁能力強、精確數字顯示障礙物距離等特點的四探頭一體防水超聲波傳感器。

四探頭一體超聲波與主控芯片的接口電路，如圖3 所示。選用RS-232 與主控芯片通信的方式，經RS-232 轉TTL 電路后把TX1、RX1 與主控電路 STM32F407 的PA9 PA10 引腳進行接線實現障礙物距離數據的處理，其中RS-232 轉TTL 電路圖，如圖4所示。

圖3 四探頭一體超聲波接口電路圖Fig.3 Four Probe Integrated Ultrasonic Interface Circuit Diagram

圖4 RS-232 轉 TTL 電路圖Fig.4 Rs-232 to TTL Circuit Diagram

3.3 紅外測距接口設計

反射強度因周邊環境中各物體和紅外之間的長短間距值而不同為工作原理的紅外傳感器，對背景光和溫度的適應能力比較強，且價格實惠[4]。傳感器在不同的表面上的響應也不同[5]。選用測量距離為（20～150）cm 的 SHARP GP2Y0A02，紅外接口設計圖，如圖5 所示。把它輸出的AD 值經過A/D 電路換為對應的實際障礙物距離數值[6]，與主控電路STM32F407 的PA7 引腳進行接線實現障礙物距離數據的處理。

圖5 紅外測距接口設計圖Fig.5 Infrared Ranging Interface Design

3.4 多傳感器的布局

針對機器人在一個新環境中執行避障任務，考慮到超聲波工作時會存在檢測不到的區域，而紅外傳感器對它的這個缺點有一定的完善，共同使用可以獲取全面的障礙物距離信息。因此，選擇以上介紹的四探頭一體防水超聲波、紅外傳感器同時檢測機器人所處環境中是否有障礙物的存在。

在智能系統中，為了規劃機器人在靜態和動態環境下執行工作，機器人本體上安裝有一塊四探頭一體超聲波傳感器和8 個紅外傳感器以多方位檢測其在動作時四周阻礙物的距離數值。在超聲波系統中通過RS-232 傳輸檢測到的數據；將紅外傳感器的信號采集到微處理器中，命令指令通過驅動裝置控制兩臺機器人專用輪轂電機[7]。多個傳感器的整體布局，如圖6 所示。圖中：數字1～4—機器人上面安裝的一塊四探頭一體超聲波的四個探頭的依次順序號，字母a～h—機器人本體上的8 個紅外傳感器的編號。

圖6 傳感器的局部系統圖Fig.6 Local System Diagram of Sensors

4 移動機器人的避障策略

圖7 機器人避開物體的流程圖Fig.7 Flow Chart of Robot Avoiding Objects

移動機器人從起點至指定目標點的過程中，本體安裝的多傳感器會自主的發出檢測障礙物信號，當檢測到障礙物和機器人之間的距離在規定距離范圍之內時，要對不同傳感器檢測的障礙物距離數據分別進行處理，把所有的信息都發送到主控制器，根據控制規則發出執行命令，驅動輪轂電機使其調整運作姿態的同時準確避開障礙物，過程中需要反復的判斷是否避開了阻礙前行的物體以及是否到了給定目標處，完成以上動作過程的流程，如圖7 所示。

5 實驗及分析

5.1 避障測距實驗

表1 尺量的距離與傳感器測的距離數值表Tab.1 Numerical Table of Distance Measured by Scale and Distance Measured by Sensor

為了提高傳感器測的距離數值精度，將表中數值依次輸入到MATLAB，把表中各距離數值用最小二乘法擬合曲線，擬合后的曲線，如圖8 所示。觀察圖8 可以發現，經過校正后的數據與實際距離值相差無幾，從而在一定程度上達到了機器人高精度避障的要求。

采用同一個物體，（20～40）cm（含 40cm）選用紅外來檢測距此物體的距離數值；（40～120）cm 選用四探頭一體超聲波。通過多次實驗得到超聲波、紅外傳感器輸送的距離數據以及用尺量的實際距離數據，如表1 所示。

圖8 實際距離、測量距離與擬合后數值的三者比較Fig.8 Comparison of Actual Distance，Measured Distance and Fitted Value

5.2 實物測試

考慮到當機器人被安放在一個新的環境時，混亂擺放的物體使移動機器人一時很難迅速的理解周圍環境的情況。首先要對其周圍的物體位置進行分類，以使移動機器人可以快、準的執行相應避障策略從而避開障礙物。以參考文獻[2]中機器人和各個物體之間的一個位置關系作為參照，接下來對實物機器人進行在前往給定目標位置處的過程中，當它的兩側會出現障礙物體時的測驗，如圖9 所示。

圖9 兩側存在物體的避障實驗Fig.9 Obstacle Avoidance Experiment of Objects on Both Sides

6 結論

從機器人樣機在雜亂無章的多障礙物環境中避障實驗可知，移動機器人可以既穩定又安全的穿越其狹縫，到達給定終點位置，從而驗證了設計可行性以及避障的精確性。多個同種傳感器進行組合的同時再與其他種類傳感器配合，這樣不僅可以彌補單一傳感器的缺點，還可以感知機器人此時此刻的多方位、多類障礙物信息源以便實現避障功能，因此在移動機器人系統中獲得普遍應用。