撰文/石宇軒

■256603 山東省濱州市北鎮(zhèn)中學(xué) 山東 濱州

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清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計(jì)探討

撰文/石宇軒

■256603 山東省濱州市北鎮(zhèn)中學(xué) 山東 濱州

智能清污機(jī)器人可代替人力自動(dòng)進(jìn)行復(fù)雜水域環(huán)境清污作業(yè)，為避免機(jī)器人在水下運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題，必須要加強(qiáng)機(jī)器人智能避障控制設(shè)計(jì)。本文通過(guò)有效控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)障礙的智能避讓。關(guān)鍵詞：水下清污；清污機(jī)器人；智能避障控制

隨著現(xiàn)代信息和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，機(jī)器人在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生活各領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。以前的水下清污機(jī)器人，由于智能化水平不高，大多都需要人力進(jìn)行拖動(dòng)行走，或者由人工在岸上根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)操控。本文所研究的清污機(jī)器人，是一種能在水下自動(dòng)行走并進(jìn)行清潔工作的機(jī)器人，可以有效代替人力在復(fù)雜水域進(jìn)行水下清污作業(yè)。這種清污機(jī)器人具有智能化水平高、控制靈活、工作效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可充分滿足新時(shí)期水域清污和水域環(huán)境養(yǎng)護(hù)工作的需求。清污機(jī)器人在水下作業(yè)過(guò)程中，可能會(huì)遇到立柱、墻壁、樹(shù)干等障礙物，如何提高清潔機(jī)器人智能避障控制設(shè)計(jì)水平，保證機(jī)器人在水下行走中不會(huì)出現(xiàn)碰撞、堵死或卡死等情況，是當(dāng)前清潔機(jī)器人研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文主要針對(duì)水下清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行探討。

水下清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計(jì)

a障礙檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)物體的障礙檢測(cè)主要分為接觸檢測(cè)和非接觸檢測(cè)兩種，前者可細(xì)分為微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)、壓力傳感器檢測(cè)和加速度檢測(cè)等幾種；后者可細(xì)分為紅外檢測(cè)、循跡檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)等幾種。接觸式檢測(cè)的原理是機(jī)器人在接觸到障礙物后，通過(guò)與障礙物產(chǎn)生互相作用力，并將這種作用力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而完成障礙檢測(cè)。接觸式檢測(cè)一般都直接安裝在機(jī)器人主體并浸泡于水中，檢測(cè)精度良好，只要遇到障礙物，機(jī)器人就會(huì)緊急制動(dòng)，其缺點(diǎn)是會(huì)因較大的慣性而導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞，影響機(jī)器人結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定，降低機(jī)器人的使用壽命。非接觸式的檢測(cè)方法是通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)障礙物，機(jī)器人不需要與障礙物進(jìn)行直接接觸，其缺點(diǎn)是不太適宜安裝在水下。如果安裝在水下，不僅檢測(cè)精度會(huì)下降，而且投入成本也將較大。故可將其安裝于水面之上，使其保持與機(jī)器人同步運(yùn)行。在非接觸式檢測(cè)方法中，超聲波檢測(cè)效果最好，不需要考慮光照影響，也不需要在水下布設(shè)循跡識(shí)別物，更不需要非常接近障礙物等，就能比較準(zhǔn)確地測(cè)量出障礙物與機(jī)器人的距離，同時(shí)，根據(jù)需要控制指令自動(dòng)設(shè)定避障方案。

b控制電路

在利用超聲波進(jìn)行障礙檢測(cè)的過(guò)程中，采用HC-SR04超聲檢測(cè)模塊。主控電路為51系列單片機(jī)，通過(guò)MAX232芯片進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，然后將信號(hào)輸送到超聲波發(fā)生頭，形成超聲信號(hào)，利用PNP三極管控制超聲信號(hào)的電源通斷，同時(shí)，利用74系列的芯片對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理，之后，將其輸送給單片機(jī)讀取和運(yùn)算，最后，計(jì)算結(jié)果將反饋到J1端口，從而實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備通訊。模塊示意圖見(jiàn)圖1所示。模塊控制通過(guò)IO觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)的IO口將TRIG引腳拉低，在此基礎(chǔ)上，單片機(jī)給出一個(gè)10sμ 以上的脈沖信號(hào)，模塊便發(fā)送8個(gè)40kHz的超聲方波信號(hào)，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。如果檢測(cè)到有信號(hào)返回，系統(tǒng)就通過(guò)IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間為超聲波發(fā)射到返回所用的時(shí)間。測(cè)試距離可表示如下：

其中，s表示測(cè)試距離，m、v表示聲音的速度，m/s表示高電平時(shí)間。

圖1　超聲檢測(cè)模塊

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)測(cè)量到的障礙距離和機(jī)器人的運(yùn)行速度，來(lái)控制機(jī)器人減速、拐彎避讓或停止運(yùn)行的時(shí)間。

c應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

控制程序依據(jù)超聲波模塊觸發(fā)和信號(hào)讀取要求，通過(guò)單片機(jī)與其實(shí)現(xiàn)通訊，同時(shí)，對(duì)機(jī)器人與障礙物的距離進(jìn)行測(cè)量，控制機(jī)器人的下一步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。具體流程見(jiàn)圖2所示。首先，對(duì)端口和功能寄存器進(jìn)行定義，向超聲波模塊發(fā)送20sμ 的觸發(fā)信號(hào)，并等待檢測(cè)反饋信號(hào)。設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，以單片機(jī)的定時(shí)器中斷來(lái)作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)反饋時(shí)間的計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)。完成計(jì)時(shí)之后，將測(cè)試數(shù)據(jù)代入公式（1），就可以計(jì)算障礙距離，控制機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)。

圖2　控制程序流程

結(jié)語(yǔ)

清污機(jī)器人的障礙檢測(cè)和智能避讓?zhuān)苡行岣邫C(jī)器人的工作效率和使用壽命，在運(yùn)動(dòng)速度適宜的情況下，利用水面隨動(dòng)超聲波檢測(cè)，可以較好地實(shí)現(xiàn)水下清污機(jī)器人智能避障控制。

參考：

［1］王曉芳.智能機(jī)器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.科技視界，2015，33：98-99.

［2］梁辰滔，閆娟，張浩，陳榮華，何濤.環(huán)保型復(fù)合式避障清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2015，10：193-194.