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        清污機(jī)器人智能避障控制設(shè)計(jì)探討

        2016-09-05 01:29:03撰文石宇軒
        中國(guó)機(jī)械 2016年9期

        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.

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