段丙濤，楊 平，翟志敏

（電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川成都 611731）

0 引言

經(jīng)過(guò)近幾十年的研究與探索，移動(dòng)機(jī)器人避障算法已初具規(guī)模，主要包括人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格建模法、遺傳算法、快速隨機(jī)樹搜索等［1］。雖然這些能比較好地在一些良好環(huán)境下工作，但也存在一些問(wèn)題，比如:避障比較緩慢、適應(yīng)環(huán)境能力弱、存在避障盲區(qū)等。

在未知環(huán)境中，機(jī)器人必須通過(guò)傳感器獲取外界環(huán)境信息，以指導(dǎo)其行為，否則，機(jī)器人只能盲目在未知環(huán)境中移動(dòng)，傳感器是自主機(jī)器人獲得環(huán)境信息的重要部件，因此，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一種性能優(yōu)良的傳感器系統(tǒng)也就成為自主機(jī)器人的重要課題之一［2］。目前，移動(dòng)機(jī)器人采用的測(cè)距傳感器主要包括聲納、紅外和激光測(cè)距系統(tǒng)。相比而言，聲納測(cè)距在近距離范圍內(nèi)有不受外界光線影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，也因此在高性能自主移動(dòng)機(jī)器人上獲得了廣泛應(yīng)用［3，4］。

一般來(lái)說(shuō)，超聲波發(fā)生器可分為兩大類:電氣方式產(chǎn)生超聲波、機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電式、磁致伸縮型和電動(dòng)型;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液硝和氣流旋笛等［5］。它們所產(chǎn)生的超聲波頻率、和聲波特性各不相同，因?yàn)橛猛疽膊灰粯?，目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

1 超聲波測(cè)距基本原理

常用的超聲波傳感器大都采用圓片換能器作為信號(hào)源。圓片換能器發(fā)出的超聲波不是一條直線，而是有一定的方向性開角。由圖1可知，換能器所發(fā)出的能量主要集中在主瓣部分，而副瓣部分的能量非常少，因此，換能器發(fā)出的超聲波就有了方向性。θ是方向性開角，它的大小和具體的超聲器件有關(guān)［4］。

圖1 超聲波的方向性Fig 1 Directionality of ultrasonic wave

本實(shí)驗(yàn)旅行家II采用的是集成的超聲測(cè)距傳感器，使用簡(jiǎn)單，操作方便。首先將超聲傳感器的INIT信號(hào)拉到高電平，此時(shí)超聲傳感器換能器將發(fā)出超聲波。INIT信號(hào)高電平的時(shí)間可以由自己設(shè)定。如圖2所示的INIT信號(hào)的高電平時(shí)間是32 ms。高電平的時(shí)間與需要測(cè)量的最長(zhǎng)距離有關(guān)。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，超聲波將被返回，超聲傳感器檢測(cè)到回波信號(hào)后，將ECHO置為高電平。當(dāng)INIT信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，ECHO同時(shí)也變?yōu)榈碗娖?。因此，可以?jì)算障礙物的距離，障礙物的距離=（INIT高電平時(shí)間－ECHO 高電平的時(shí)間）×c/2［8～10］。

圖2 超聲傳感器的時(shí)間計(jì)算Fig 2 Time calculating of ultrasonic sensor

測(cè)距聲納的參數(shù)如表1。

表1 測(cè)距聲納參數(shù)Tab 1 Sonar parameter of distance measurement

在距離地面高度為45 cm、相隔為15°的同一環(huán)上均布安裝了24只超聲傳感器，其編號(hào)為1～24（逆時(shí)針布置），如圖3所示。超聲傳感器波速角為15°，超聲傳感器的最小作用距離為0.15 m。

因?yàn)槌晜鞲衅髦g的安裝位置相差15°，而超聲傳感器的波速角為15°，如果超聲波同時(shí)反射，有可能會(huì)有干擾。如果采用輪循方式，即一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射超聲波，雖然可以消除串?dāng)_回波的影響，但24只超聲傳感器循環(huán)一次周期較長(zhǎng)，降低了采集頻率。為了不降低采集頻率的同時(shí)消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將24只超聲傳感器分為A（1#，4#，7#，10#，13#，16#，19#，22#），B（2#，5#，8#，11#，14#，17#，20#，23#），C（3#，6#，9#，12#，15#，18#，21#，24#）三組，通過(guò)計(jì)算可以知道，這種情況下超聲傳感器同時(shí)工作不會(huì)產(chǎn)生干擾，因而，每一組的超聲傳感器同時(shí)工作，組與組直接采用輪詢方式工作。這樣既可以達(dá)到很高的采集頻率，同時(shí)也滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

圖3 超聲波傳感器分布Fig 3 Distribution map of ultrasonic wave sensor

2 超聲信息采集擴(kuò)展卡

超聲信息采集卡的功能是獲取完整的超聲波回波數(shù)字信號(hào)，然后送到CPU進(jìn)行信號(hào)處理以精確計(jì)算障礙的距離。其基本工作原理:信息處理電路主控制芯片為AVR系列單片機(jī)Mega16，其通過(guò)8路鎖存器芯片74HC573分時(shí)使能24路超聲傳感器，每次使能一個(gè);接收到超聲波得發(fā)射信號(hào)后停止計(jì)時(shí)器，將超聲波的發(fā)射時(shí)間簡(jiǎn)單計(jì)算后存入緩存區(qū)，在接到PC查詢指令后通過(guò)RS—485總線轉(zhuǎn)RS—232總線反饋給機(jī)載PC，其程序基本流程圖如圖4。

圖4 信息采集程序流程圖Fig 4 Flow chart of information collecting process

3 聲納數(shù)據(jù)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中，為了避免入射角引起的誤差，超聲波都是垂直射向干燥墻面（超聲波對(duì)于表面材料等因素十分敏感）。實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍從40～640 cm（距離為20，30 cm時(shí)，超聲波讀數(shù)無(wú)顯示），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 聲納精度測(cè)試Tab 2 Precision test of sonar

由表2可知，測(cè)出的讀數(shù)普遍比實(shí)際距離大，誤差在1%左右，此外聲納盲區(qū)與給定的參數(shù)出入比較大，因此，選擇較大的障礙距離來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。

聲納讀數(shù)存在兩大缺陷:“盲區(qū)”與“錯(cuò)誤讀數(shù)”?！懊^(qū)”指的是為了消除超聲波換能器發(fā)射超聲波后的振鈴現(xiàn)象，本聲納給定參數(shù)中驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)屏蔽0.9 ms，這對(duì)應(yīng)的距離值就是15cm，即在小于15 cm的范圍內(nèi)的障礙物，聲納傳感器是感受不到的。要解決這個(gè)問(wèn)題，只有在啟動(dòng)機(jī)器前，將機(jī)器人放置在與障礙物距離至少要大于20 cm（保險(xiǎn)起見）的地方，也就是安全啟動(dòng)位置，但實(shí)際上旅行家II機(jī)器人與障礙物得距離至少要35cm?！板e(cuò)誤讀數(shù)”是由入射角引起的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射角大于一個(gè)臨界數(shù)值的時(shí)候，聲納讀數(shù)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，這是由于當(dāng)超聲波入射角過(guò)大的時(shí)候，聲納傳感器接收不到回波信號(hào)而導(dǎo)致的。由于“錯(cuò)誤讀數(shù)”是個(gè)別現(xiàn)象，可以通過(guò)以前的記錄來(lái)排除突然跳變的數(shù)據(jù)。

4 機(jī)器人避障實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)研究的機(jī)器人是雙輪差動(dòng)機(jī)器人，如圖5所示。其超聲波傳感器系統(tǒng)有24只超聲傳感器，可以獲得機(jī)器人前后左右全方位的障礙物信息，具有操作方便、數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。

圖5 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of robot

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，機(jī)器人是由北京博創(chuàng)興盛機(jī)器人技術(shù)有限公司開發(fā)生產(chǎn)的旅行者II號(hào)，車載計(jì)算機(jī)采用聯(lián)想Y450A-tsi。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，有四排辦公桌和剛性椅子的靜態(tài)障礙物，以及人作為動(dòng)態(tài)障礙物。軟件方面，采用VC++6.0編譯環(huán)境來(lái)編寫控制程序。

避障行為控制算法最少需要用3只聲納（3#，21#，24#）來(lái)完成避障任務(wù)，基本思想是，當(dāng)聲納讀數(shù)小于某一預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，說(shuō)明前方有障礙物，機(jī)器人就轉(zhuǎn)向，否則，繼續(xù)向前走，比如:右方障礙物比較近，那么，控制機(jī)器人左轉(zhuǎn)。避障流程如圖6所示。

當(dāng)場(chǎng)景中存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物的時(shí)候，機(jī)器人不僅要探測(cè)靜態(tài)障礙物的位置，同時(shí)也要探測(cè)動(dòng)態(tài)障礙物的位置與運(yùn)動(dòng)方向，然后實(shí)行自主避障［8～10］。圖7描述了同時(shí)存在2個(gè)靜態(tài)障礙物和1個(gè)動(dòng)態(tài)障礙物（走動(dòng)的人）的機(jī)器人場(chǎng)景。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人逐漸接近靜態(tài)障礙物，并且通過(guò)自身調(diào)整避過(guò)障礙物。在某一時(shí)刻，人突然出現(xiàn)在機(jī)器人行進(jìn)軌跡中，機(jī)器人通過(guò)聲納傳感器感知到前方有障礙物，及時(shí)地做出避障，最終到達(dá)終點(diǎn)。

圖6 避障流程Fig 6 Obstacle avoidance process

圖7 機(jī)器人靜態(tài)和動(dòng)態(tài)避障Fig 7 Static and dynamic obstacle avoidance of robot

避障行為是在室內(nèi)進(jìn)行的，其中兩次的實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程如圖8、圖9。

圖8 靜態(tài)避障示意圖Fig 8 Schematic diagram of static obstacle avoidance

由圖8、圖9可知，避障算法的可行性得到驗(yàn)證，具有較好的實(shí)時(shí)性和魯棒性。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器人的避障速度比較慢，偶爾在感知椅子這樣的非完全實(shí)體障礙物時(shí)，避障停止，機(jī)器人原地打轉(zhuǎn)，這也是這一算法的缺陷?？梢圆捎没跂鸥竦姆椒ɑ蛞晥?chǎng)法來(lái)改進(jìn)避障行為。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖9 動(dòng)態(tài)避障示意圖Fig 9 Schematic diagram of dynamic obstacle avoidance obsta cle

本文為了避免入射角和固體材料引起的誤差，直接將超聲波垂直射向干燥的墻壁，檢驗(yàn)了聲納的準(zhǔn)確性與可應(yīng)用性。同時(shí)運(yùn)用一種比較有效的避障算法來(lái)讓機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)避障，降低了機(jī)器人自主移動(dòng)的經(jīng)濟(jì)成本與危險(xiǎn)性，為將來(lái)輪椅式機(jī)器人的開發(fā)和改進(jìn)提供了一定的理論參考和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，在艱苦的道路表面和復(fù)雜多變的環(huán)境中，機(jī)器人系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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