基于超聲波傳感器的雙足步行機(jī)器人避障系統(tǒng)設(shè)計

楊 亭 周 健 陳文輝 李麗珠 李輝輝

（1.廣東開放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院），廣州 510091；2.廣州市從化區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州 510920；3.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530000）

具有多自由度的雙足步行機(jī)器人可模仿人類的步行運動[1-2]。配置合適的傳感器，并構(gòu)建科學(xué)合理的控制系統(tǒng)，能夠讓雙足步行機(jī)器人順利完成各種復(fù)雜的高難度動作，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療護(hù)理康復(fù)等領(lǐng)域[3]。避障控制系統(tǒng)可使雙足步行機(jī)器人更加安全、高效地完成工作任務(wù)[4]。常見的避障傳感器包括超聲波傳感器、紅外感應(yīng)器、激光測距儀及視覺傳感器等[5-7]。其中，超聲波傳感器具有靈敏度和精確度高、不易受光線影響和電磁干擾、使用簡單和性價比高等優(yōu)點[8]，被廣泛應(yīng)用于避障導(dǎo)航領(lǐng)域[9]。例如，查懿倫[10]設(shè)計的老年人代步車智能管理系統(tǒng)，采用超聲波傳感器探測障礙物，當(dāng)代步車遇到障礙物時能夠自主減速或停車。超聲波傳感器為老年人代步車自動巡航功能的實現(xiàn)提供保障，因此使用超聲波傳感器作為雙足步行機(jī)器人的避障傳感器。超聲波傳感器探測到的障礙物信息能為機(jī)器人執(zhí)行動作提供依據(jù)，而機(jī)器人執(zhí)行動作也會影響超聲波傳感器探測的障礙物距離。控制系統(tǒng)的輸入端為超聲波傳感器，輸出端為雙足步行機(jī)器人，它們之間相互影響，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

雙足步行機(jī)器人平臺是一個開環(huán)控制裝置，其左足和右足各裝配3 個舵機(jī)。這6 個舵機(jī)分別安裝在機(jī)器人雙足的髖、膝、踝關(guān)節(jié)處，通過轉(zhuǎn)動舵機(jī)實現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速等功能[11]，是一個開環(huán)控制裝置，如圖1 所示。為形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，配置1 塊Arduino MEGA 2560 開發(fā)板、1 個HC-SR04超聲波傳感器、1 個DS3115 舵機(jī)及3 個3.7 V 鋰電池。其中，Arduino MEGA 2560 開發(fā)板作為主控制器，一方面讀取超聲波傳感器的測距數(shù)據(jù)，另一方面控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動。HC-SR04 超聲波傳感器用于探測障礙物距離，可探測前方2 ～400 cm 的障礙物，在與地面平行的平面上，其探測角度可達(dá)15°。DS3115 舵機(jī)可轉(zhuǎn)動180°，作為固定超聲波傳感器用的云臺，安裝在機(jī)器人最頂部[12]。舵機(jī)0°、90°、180°位置分別對應(yīng)機(jī)器人的正左、正前、正右3 個方向，這樣可使超聲波傳感器對準(zhǔn)3 個方向進(jìn)行探測[13]。鋰電池為總電源，采用4 組LM2596 可調(diào)穩(wěn)壓電路為各用電器提供合適電壓[14]。

圖1 雙足步行機(jī)器人平臺

2 控制方法設(shè)計

主控制器先使用超聲波傳感器探測障礙物信息，再決定雙足步行機(jī)器人執(zhí)行何種動作，程序運行過程如圖2 所示。

圖2 程序運行框圖

為提高機(jī)器人工作效率，采用如下步行速度控制方法：當(dāng)障礙物距離大于200 cm 時，定義前方安全，機(jī)器人可以高速步行；當(dāng)障礙物距離為100 ～200 cm時，定義距離障礙物較近，機(jī)器人中速步行；當(dāng)障礙物距離為50 ～100 cm 時，定義前方可能存在危險，機(jī)器人低速步行；當(dāng)障礙物距離小于50 cm 時，定義機(jī)器人身處危險境地，必須停止步行并進(jìn)行避障[15]。

機(jī)器人避障方法如下：首先，轉(zhuǎn)動超聲波傳感器云臺，分別探測機(jī)器人正左、正右2 個方向的障礙物距離；其次，主控器命令機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向，朝著障礙物距離較遠(yuǎn)的一側(cè)步行；最后，超聲波傳感器云臺歸位，機(jī)器人執(zhí)行前進(jìn)動作。

需要注意的是，一方面，為防止超聲波傳感器誤判，或遇到一閃而過的移動障礙物，在超聲波傳感器探測到障礙物距離小于50 cm 時，主控器并不是立即命令機(jī)器人執(zhí)行避障動作，而是讓機(jī)器人停止2 s 后，命令超聲波傳感器再次探測障礙物距離。如果障礙物距離大于50 cm，則機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，無須執(zhí)行避障動作；如果超聲波傳感器探測到障礙物距離仍然小于50 cm，則認(rèn)為前方確實存在固定不動的障礙物，機(jī)器人需要執(zhí)行避障動作。另一方面，如果機(jī)器人的正左、正前、正右3 個方向的障礙物距離同時小于50 cm，則主控器認(rèn)為機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入窄小的死胡同。此時，機(jī)器人將保持原地不動，而超聲波傳感器將不斷探測正左、正前、正右3 個方向的障礙物，直到有1 個方向的障礙物距離不再小于50 cm，機(jī)器人才繼續(xù)運動。

3 避障實驗

3.1 實驗方法

選擇7 m×9 m 的學(xué)校教室作為實驗場地，將教室中央、墻角等位置作為機(jī)器人的始發(fā)地。為獲取機(jī)器人的實際運動軌跡，給機(jī)器人其中一個大腳板外側(cè)邊緣任意位置做上標(biāo)記。機(jī)器人每走1 步，就用粉筆在該標(biāo)記處正下方的地板上畫1 個點，最后將所有的點連起來，視為機(jī)器人實際運動軌跡。為進(jìn)一步研究機(jī)器人避障性能，使用桌椅設(shè)置口字形、凹字形、Z 字形等多種障礙物類型，檢驗機(jī)器人能否避障成功。

3.2 實驗結(jié)果分析

圖3 為機(jī)器人的避障軌跡，圓點為機(jī)器人的始發(fā)地，箭頭所指的方向為機(jī)器人的步行方向。實驗結(jié)果表明，機(jī)器人避障性能良好，在口字形、凹字形、Z 字形等障礙物場地，均能有效避障，平穩(wěn)運行，而且能夠根據(jù)障礙物的遠(yuǎn)近及時調(diào)整步行速度。

圖3 機(jī)器人避障軌跡

避障實驗獲得成功的關(guān)鍵點如下。第一，支撐超聲波傳感器的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)云臺，使得僅使用1 個超聲波傳感器，就能有效探測機(jī)器人前方和左、右兩側(cè)的障礙物信息。無須在機(jī)器人兩側(cè)安裝超聲波傳感器，能夠簡化軟件編程、減輕主控制器的負(fù)荷，還可以節(jié)省成本。第二，超聲波傳感器安裝方向與機(jī)器人的前進(jìn)方向一致[16]。第三，機(jī)器人未垂直進(jìn)入凹型死胡同，得益于超聲波傳感器具有15°的探測角，能夠形成以超聲波傳感器為中心的發(fā)射狀探測區(qū)域，有效增大探測障礙物的范圍。

4 結(jié)語

本研究主要將機(jī)器人從開環(huán)控制系統(tǒng)升級為閉環(huán)控制系統(tǒng)。雙足步行機(jī)器人在沒有配置傳感器的情況下是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，相當(dāng)于一個只具備運動能力，而無感覺器官的動物。在機(jī)器人上配置超聲波傳感器，使其通過感知周圍環(huán)境，有效避開各種類型的障礙物。要想將雙足步行機(jī)器人應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，還需要進(jìn)行進(jìn)一步升級改善，提高其智能化水平。