基于超聲波傳感器的掃地機(jī)器人避障技術(shù)研究＊

袁茂鴻，王 姝，林心如

（福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院，福建 福州 350002）

隨著科技的日新月異，掃地機(jī)器人進(jìn)入了人們的日常生活，掃地機(jī)器人的研究和應(yīng)用也引起了人們的廣泛關(guān)注。其中的避障技術(shù)是討論的熱門話題之一，這需要掃地機(jī)器人運(yùn)用各類傳感器檢查周圍環(huán)境，獲取相對(duì)應(yīng)的信息，然后通過(guò)獲取到的信息轉(zhuǎn)換成各種復(fù)雜的指令，控制掃地機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中完成避障指令。避障技術(shù)的實(shí)現(xiàn)最基本應(yīng)做到對(duì)環(huán)境的感知，而環(huán)境的感知往往通過(guò)傳感器來(lái)獲取周圍的環(huán)境信息，包括大小、位置以及材質(zhì)。通過(guò)傳感器收到的信息傳回“大腦”，并及時(shí)對(duì)當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行分析后，做出最優(yōu)解，反饋給驅(qū)動(dòng)部分，達(dá)到避障作用。

1 超聲波傳感器測(cè)距避障原理

超聲波簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是一種頻率高于20kHz 的聲波，屬于機(jī)械波的一種，其反射性強(qiáng)、能量集中、具有良好的定向性，在各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。超聲波的振動(dòng)方向可簡(jiǎn)單的分為橫波和縱波兩種。超聲波在固體、液體、氣體等介質(zhì)中傳播時(shí)，衰減很少，且穿透能力較強(qiáng)。超聲波傳感器的主要工作原理是通過(guò)傳感器對(duì)前方發(fā)出超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，通過(guò)介質(zhì)表面進(jìn)行發(fā)射，傳感器將捕捉并接收到一部分被放射回來(lái)的超聲波，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。從發(fā)射到接收超聲波所間隔的時(shí)間（T）和傳感器與前方障礙物的距離（S）成正比，超聲波以聲波的速度（V）在介質(zhì)中傳播，可由式（1）算出傳感器與前方障礙物之間的距離：

超聲波傳感器主要由壓電晶體或鎳鐵鋁合金組成，由于較大的機(jī)電耦合系數(shù)，輸出的能量較大，工作具有很高的靈敏度，可以適用于高負(fù)荷傳感器條件下的操作需求[1]。

2 超聲波傳感器電路設(shè)計(jì)

目前，常應(yīng)用在掃地機(jī)器人避障方面的方法有：超聲波避障、紅外避障、激光避障和視覺(jué)避障等[2]，在本文中，將對(duì)超聲波避障進(jìn)行研究和介紹。

2.1 超聲波傳感器整體電路設(shè)計(jì)

HC-SR04超聲波模塊可對(duì)前方半徑2cm～400cm、角度100°以內(nèi)進(jìn)行障礙物感知和距離測(cè)量等功能，測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)別；模塊主要有聲波發(fā)射部分和聲波接收部分組成。當(dāng)初始狀態(tài)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，HC-SR04超聲波模塊將會(huì)連續(xù)對(duì)外界發(fā)送高電平脈沖（脈沖寬度至少為10us）。在發(fā)送的同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，在捕捉到回響信號(hào)后，將得到計(jì)時(shí)器的時(shí)間。式（2）即可算出超聲波與障礙物之間的距離（S）。

式（2）中，S為距離，T為高電平時(shí)間，340為聲速（m/s）。

超聲波模塊的電路圖如圖1所示，將得到的測(cè)試距離通過(guò)P1.0端口和P1.2端口導(dǎo)入單片機(jī)當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，及時(shí)計(jì)算與障礙物之間的最佳避障方案，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行小車的驅(qū)動(dòng)，來(lái)確保掃地機(jī)器人能夠準(zhǔn)確避障。

圖1 HC-SR04 模塊電路圖

2.2 超聲波傳感器聲波發(fā)射部分的電路設(shè)計(jì)

超聲波傳感器發(fā)射部分采用了換能器 TCT40-16T向外界發(fā)射40kHz 左右的方波脈沖信號(hào)。由單片機(jī)輸出端將方波脈沖信號(hào)分成兩路，一路傳輸至功率放大電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)距要求，另一路傳輸至換能器 TCT40-16T，以聲波形式發(fā)射到外界[3]。

超聲波傳感器聲波發(fā)射部分電路圖如圖2所示，可通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R14 使得換能器TCT40-16T 產(chǎn)生合適的振蕩頻率。將計(jì)時(shí)器的輸入信號(hào)端與單片機(jī)引腳相連，使得超聲波的發(fā)射受到單片機(jī)的控制[4]。

圖2 超聲波傳感器聲波發(fā)射部分電路圖

2.3 超聲波傳感器聲波接收部分電路設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)射部分發(fā)射超聲波，在超聲波遇到障礙物后，通過(guò)障礙物表面進(jìn)行發(fā)射，由接收器及時(shí)接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于電信號(hào)較為微弱，在超聲波傳感器聲波接收部分電路圖中加入了一組兩級(jí)功率放大電路。其第一級(jí)固定放大倍數(shù)20 倍，第二級(jí)通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R22 來(lái)改變放大倍數(shù)，可改變的區(qū)間為1～20 倍，故總放大倍數(shù)的區(qū)間為1～40倍，使得轉(zhuǎn)化的電信號(hào)得到充足放大[5]。

超聲波傳感器聲波接收部分電路圖如圖3所示，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后的電信號(hào)，被輸送到通用鎖相環(huán)電路(LM567)的輸入端。在LM567捕捉到電信號(hào)后，輸出低電平（被捕捉時(shí)呈現(xiàn)高電平），電平跳變將引起單片機(jī)中斷，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，記錄的時(shí)段即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)段[6]。

圖3 超聲波傳感器聲波接收部分電路圖

2.4 多組超聲波傳感器電路設(shè)計(jì)

多組超聲波傳感器避障模塊示意圖如圖4所示，在保證單個(gè)避障模塊可以滿足掃地機(jī)器人的正常運(yùn)行前提下，在傳感器避障模塊的左側(cè)和右側(cè)分別加裝了兩個(gè)相同的模塊，以保障掃地機(jī)器人在測(cè)距避障方面的精度，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能明顯感受到在行進(jìn)過(guò)程中避障能力有效的提升[7]。

圖4 多組超聲波傳感器避障模塊示意圖

3 超聲波避障策略

掃地機(jī)器人的超聲波避障策略設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 超聲波避障策略設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)掃地機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，掃地機(jī)器人左側(cè)、正前方、右側(cè)的超聲波傳感器將進(jìn)入工作狀態(tài)，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)超聲波測(cè)距值。距離前方障礙物的距離小于提前設(shè)置好的預(yù)警值時(shí)，將執(zhí)行下一步指令，若未達(dá)到預(yù)警值，則不斷重復(fù)執(zhí)行上一步指令。單片機(jī)將傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并分析比較，并做出相對(duì)應(yīng)的反饋，最終都將決定掃地機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)是否正常，若不正常則將重新返回第一步指令，正常則結(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)超聲波傳感器發(fā)射部分和接收部分的電路圖進(jìn)行研究，結(jié)合多組傳感器運(yùn)用于掃地機(jī)器人，使得掃地機(jī)器人避障測(cè)距精度和避障能力得到有效提升，對(duì)避障策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，該技術(shù)可廣泛運(yùn)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中。