徐鼎新++符秀輝

摘 要 隨著移動(dòng)機(jī)器人走進(jìn)千家萬(wàn)戶，針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃以及如何規(guī)避障礙物，提出了一種基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)控制超聲波傳感器以及舵機(jī)進(jìn)行機(jī)器人避障的解決方案。分析了由微處理器如何控制機(jī)器人使其產(chǎn)生避障行為，使其在某些障礙物環(huán)境下繞出狹窄區(qū)域；使其順著障礙物前進(jìn)直到開(kāi)闊地帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，測(cè)量精度高。此方案能夠穩(wěn)定的控制移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行有效的避障，驗(yàn)證了該方案的的實(shí)時(shí)性和可行性。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)機(jī)器人 STM32單片機(jī) 超聲波傳感器 避障

1 引言

隨著近幾年來(lái)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大如：生活服務(wù)與娛樂(lè)，軍事偵察，科學(xué)探測(cè)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等等。機(jī)器人的性能逐漸提高并且正在向智能化方向發(fā)展。移動(dòng)機(jī)器人作為新型的勞動(dòng)工具，在改變勞動(dòng)模式，提高勞動(dòng)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。伴隨著人工智能技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的更高層次的研究和開(kāi)發(fā)已具備了十分堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和較好的發(fā)展前景。目前對(duì)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人影響比較大的重要技術(shù)是：傳感器技術(shù)、噪音控制技術(shù)、自動(dòng)清洗技術(shù)、清潔空間高度較低區(qū)域的技術(shù)和自動(dòng)避障路徑規(guī)劃技術(shù)。本文提出了一種基于STM32單片機(jī)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障規(guī)劃的解決方案。探討了移動(dòng)機(jī)器人的避障原理，詳細(xì)的研究了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，軟件流程。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析后證明本方案電路簡(jiǎn)單，抗干擾性好，測(cè)量精度完全滿足移動(dòng)機(jī)器人的避障要求。

2 移動(dòng)機(jī)器人避障系統(tǒng)硬件介紹

移動(dòng)機(jī)器人的避障系統(tǒng)主要由舵機(jī)與超聲波模塊構(gòu)成，超聲波模塊安裝在舵機(jī)之上。為使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)避障，使用超聲波進(jìn)行避障，通過(guò)超聲波接收到的信號(hào)，判斷出障礙物的位置情況來(lái)進(jìn)行多個(gè)方向的避障，在行進(jìn)的過(guò)程中，機(jī)器人對(duì)前方的障礙物進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)障礙物的情況做相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎，并改變舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向并重復(fù)前面的行進(jìn)過(guò)程。

由于超聲傳感器存在固有測(cè)量盲區(qū)，對(duì)近距離內(nèi)的障礙物無(wú)法檢測(cè)，因此本文采用紅外傳感器彌補(bǔ)超聲波傳感器的測(cè)量盲區(qū)。處于超聲波傳感器的兩端。圖1為移動(dòng)機(jī)器人避障系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。圖2為本實(shí)驗(yàn)所使用機(jī)器人。

3 移動(dòng)機(jī)器人的避障方案

3.1 移動(dòng)機(jī)器人的避障方案

當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，先使機(jī)器人繞房間行駛一周，測(cè)量出擦地區(qū)域的長(zhǎng)和寬，并計(jì)算出清潔區(qū)域的面積，記錄下最大的X軸與Y軸的行進(jìn)距離。限定以后行駛路徑的范圍。之后將移動(dòng)機(jī)器人放在需測(cè)量的初始位置，然后沿y軸正向前進(jìn)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行前面出現(xiàn)障礙物時(shí)，該機(jī)器人的避障系統(tǒng)便會(huì)測(cè)定障礙物的位置，STM32芯片便會(huì)產(chǎn)生中斷進(jìn)入中斷程序，在中斷程序內(nèi)調(diào)整舵機(jī)方向使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，機(jī)器人會(huì)繞過(guò)障礙物并繼續(xù)前進(jìn)。若機(jī)器人的前方?jīng)]有障礙物移動(dòng)機(jī)器人會(huì)繞著測(cè)量區(qū)域進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)直到之前測(cè)量所記錄下的X軸Y軸的最大位置為止。圖3為避障程序流程圖。其中DIS為機(jī)器人與障礙物之間的距離，單位為cm。

3.2 機(jī)器人的避障實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建，需要黑色電工膠布、足夠白的白板與障礙物的完美契合。首先將黑色電工膠布圍成一個(gè)矩形，但是在矩形的四角要做成圓弧形狀，以便于機(jī)器人更加順利的轉(zhuǎn)彎。與此同時(shí)，在矩形的區(qū)域內(nèi)放上兩個(gè)障礙物，需要強(qiáng)調(diào)的是兩個(gè)障礙物必須成規(guī)則方塊狀，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)擺放。分別做兩次實(shí)驗(yàn)：1兩障礙物在區(qū)域內(nèi)成45度角，其中一個(gè)障礙物在機(jī)器人正前方，另一個(gè)障礙物在其右下方。機(jī)器人在區(qū)域內(nèi)的A點(diǎn)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)B點(diǎn)。 2 兩障礙物在區(qū)域內(nèi)一前一后放在機(jī)器人前面，讓其穿過(guò)兩障礙物從A運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。

其后，將移動(dòng)機(jī)器人放在無(wú)障礙物的一個(gè)黑色角落上，隨即啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。順時(shí)針行走時(shí)，可以明顯的觀察到機(jī)器人沿著黑色電工膠布前進(jìn)，當(dāng)遇到拐角時(shí)可以自動(dòng)右轉(zhuǎn)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，先是左轉(zhuǎn)90度，然后再次遇到障礙物，隨后右轉(zhuǎn)180度，機(jī)器人未檢測(cè)到障礙物，繼續(xù)沿著黑色電工膠布軌跡前進(jìn)。

當(dāng)機(jī)器人在遇到下一個(gè)無(wú)障礙弧度拐角時(shí)，機(jī)器人將繼續(xù)依照舵機(jī)上的超聲波傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行小幅度左轉(zhuǎn)，然后才會(huì)轉(zhuǎn)彎。圖4為實(shí)驗(yàn)1的機(jī)器人理想避障圖，圖5為實(shí)驗(yàn)1的機(jī)器人理想避障圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在圖6為機(jī)器人在區(qū)域左下角A點(diǎn)出發(fā)途徑兩個(gè)障礙物到達(dá)右上角B點(diǎn)的軌跡。

在圖7中實(shí)驗(yàn)難度有所增加，由區(qū)域正下方A點(diǎn)到區(qū)域正上方B點(diǎn) 機(jī)器人必須由障礙物中間穿行。

由以上實(shí)驗(yàn)可知，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為核心，利用了超聲波避障傳感器，將軟件與硬件相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)以下功能：移動(dòng)機(jī)器人在行駛的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)，若有偏離能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道。 當(dāng)機(jī)器人探測(cè)到前方檢測(cè)的障礙物可以自動(dòng)的調(diào)整躲避障礙物，從無(wú)障礙的區(qū)域通過(guò)。

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作者單位

沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110142