李 強(qiáng)

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 質(zhì)量管理中心，西安 710089)

0 引言

超聲波測(cè)距裝置是一種性能比較好的測(cè)距裝置，它不會(huì)受到外界的干擾，測(cè)距精度高，方向性強(qiáng)，技術(shù)上已趨于成熟。超聲波傳感器更多地應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)中，成為了機(jī)械裝備的必要輔助裝置。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有大量的研究人員對(duì)超聲波傳感器的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，將該技術(shù)應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域，同時(shí)也使得該技術(shù)具有更好的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性[1-2]。

目前已有相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者對(duì)業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)做出了研究。文獻(xiàn)[3]提出基于最優(yōu)交互避撞算法的機(jī)器人避障系統(tǒng)。在自動(dòng)避撞過(guò)程中，利用最優(yōu)的交互式避撞方法，將位置空間轉(zhuǎn)化為速度空間，以避免碰撞但是這種方式精度過(guò)低。文獻(xiàn)[4]提出在硬件裝置中安裝大量的傳感器，傳感器覆蓋設(shè)備中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以同時(shí)上傳到網(wǎng)絡(luò)基站中，進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算，從而達(dá)到故障與障礙物識(shí)別的效果，但是定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5]提出基于改進(jìn)的快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)的工業(yè)機(jī)器人路徑避障規(guī)劃算法。引入了擴(kuò)展點(diǎn)選取和自適應(yīng)步長(zhǎng)的控制策略，避免算法陷入局部最優(yōu)解，將該算法與 Dijkstra算法相結(jié)合，從而獲得工業(yè)機(jī)器人避障最優(yōu)路徑。該方法的避障控制準(zhǔn)確率較高，但控制效率較差。

超聲波傳感器可以解決超聲波傳播過(guò)程中出現(xiàn)的起振延時(shí)問(wèn)題，充分利用主控芯片對(duì)相關(guān)信息的控制，檢測(cè)傳感器中的相位關(guān)系，再對(duì)超聲波的發(fā)射探頭和接收探頭進(jìn)行集成處理，經(jīng)過(guò)處理的超聲波攜帶了精準(zhǔn)的距離參數(shù)，不通過(guò)超聲波途徑從通訊電路中直接到達(dá)數(shù)據(jù)顯示終端。

綜上所述，本文基于超聲測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)。利用3種不同的誤差放大器EA1、EA2、EA3，將回波信號(hào)穩(wěn)頻放大到電路中，利用運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行濾波、放大，提升硬件對(duì)障礙物的檢測(cè)性能。在此基礎(chǔ)上，基于超聲檢測(cè)技術(shù)構(gòu)建模糊數(shù)據(jù)庫(kù)，檢測(cè)出機(jī)器人與障礙物之間的距離，并對(duì)所有的障礙物信息進(jìn)行定位，提取不同方向的測(cè)距信息，實(shí)現(xiàn)全面的避障控制，完成工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)、超聲波傳感器設(shè)計(jì)、回波接收電路設(shè)計(jì)、帶通濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及繼電器設(shè)計(jì)共6方面，系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)單片機(jī)采集各種數(shù)據(jù)，利用DTU模塊完成信息轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，利用上位機(jī)完成信息轉(zhuǎn)換，在串口上通過(guò)透明傳輸方式完成信息傳輸。使用DTU完成通訊連接，在連接過(guò)程中不能申請(qǐng)固定的IP，內(nèi)部的單片機(jī)完成信息傳輸，延長(zhǎng)供電時(shí)間。由于服務(wù)器不能涉及固定的IP，因此需要利用串口完成信息的收發(fā)。系統(tǒng)采用自動(dòng)讀取和查詢讀取兩種模式，通過(guò)單片機(jī)完成防碰撞操作。

自動(dòng)讀取模式在單片機(jī)內(nèi)部加入了定時(shí)器，固定定時(shí)時(shí)間，通過(guò)單片機(jī)完成信息讀取，利用P3.7高低電平實(shí)現(xiàn)信息控制，同時(shí)對(duì)DTU完成供電操作。在RS-485接口中完成信息讀取，這樣可以很好地保證芯片的工作時(shí)間，為系統(tǒng)提供更好的電量，完成信息讀取。

查詢讀取模式適合于帶電狀態(tài)，通過(guò)確定高電平完成信息傳感，實(shí)現(xiàn)命令上傳，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)接收，利用定時(shí)器完成接收操作，設(shè)置1.5字符，當(dāng)輸出的信息超過(guò)1.5字符后會(huì)出現(xiàn)停頓，如果超出停頓時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)幀，完成信息的采集和上報(bào)工作。

1.2 超聲波傳感器設(shè)計(jì)

超聲波傳感器在工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)中不僅要起到超聲波發(fā)射的作用，還要控制內(nèi)部的超聲波發(fā)射電路對(duì)外進(jìn)行電壓驅(qū)動(dòng)，避免外部超聲波電路脈沖逆變。本文在設(shè)計(jì)超聲波傳感器的過(guò)程中，首先對(duì)單片機(jī)的信號(hào)發(fā)送模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將具有脈沖信號(hào)的超聲換能器安裝在單片機(jī)的操作模塊中，同時(shí)還增加MOS功率器件作為超聲換能器的驅(qū)動(dòng)元件[6-7]。本文選用的超聲波傳感器型號(hào)為4-20HR-MaxSonar-WR，具有毫米級(jí)波長(zhǎng)，波長(zhǎng)大于5 mm，頻率為100 kHz，檢測(cè)范圍可達(dá)5 m。

常規(guī)情況下的超聲波傳感器中具有一個(gè)電荷響應(yīng)裝置，但是傳統(tǒng)的電荷響應(yīng)裝置在進(jìn)行電荷控制的過(guò)程中需要有一定的等待時(shí)間，而在本文的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將電壓控制代替電荷控制，應(yīng)用較大的電壓來(lái)帶動(dòng)電荷，使超聲波傳感器中的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓頻率等于超聲波換能器的極限頻率。超聲波傳感器中的驅(qū)動(dòng)模塊裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)模塊裝配結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊中還安裝有兩個(gè)MOS管，幫助兩個(gè)管路中的脈沖信號(hào)可以在傳感器中交替導(dǎo)通。電路中的線圈具有增加傳感器激勵(lì)的作用，使傳感器的超聲波信號(hào)發(fā)送更遠(yuǎn)，隨著超聲波傳感器中檢測(cè)數(shù)字信號(hào)的增多，傳感器對(duì)外表達(dá)信息的能力也隨之增強(qiáng)[8]。

1.3 回波接收電路設(shè)計(jì)

回波接收電路設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在可變?cè)鲆娣糯笃髦?，本文?duì)電路的設(shè)計(jì)遵循電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原理，對(duì)不同強(qiáng)度下的同一種超聲波信號(hào)能夠完成不同增益效果的選取接收，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)距。超聲波傳感器中的回波信號(hào)大多都屬于電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后便會(huì)成為交流信號(hào)，為了合理儲(chǔ)存這種交流信號(hào)，本文應(yīng)用EA1、EA2和EA3三種型號(hào)的誤差放大器，分別為T(mén)ypeⅠ、TypeⅡ、TypeⅢ誤差放大器，TypeⅠ誤差放大器可增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、TypeⅡ、TypeⅢ誤差放大器可抵消零極點(diǎn)，將回波信號(hào)穩(wěn)定放大到電路中?？勺?cè)鲆骐娐方Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 可變?cè)鲆骐娐方Y(jié)構(gòu)圖

觀察圖3可知，回流超聲波在EA1中受到負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的作用，按照電阻的實(shí)際比例傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)輸入端口中，其中R1、R2分別為負(fù)反饋的對(duì)比電阻。為了增加回流超聲波的穩(wěn)定性，本文在EA3中輸出端中加設(shè)了一個(gè)電容C0作為補(bǔ)償，使得回波接收電路成為跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)[9-11]。

1.4 帶通濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器屬于無(wú)源濾波器，只需要電感、電容以及電阻即可實(shí)現(xiàn)濾波作用。帶通濾波器由多個(gè)普通濾波器聯(lián)合組成，不使用電源負(fù)載就可以完成信號(hào)所在的頻率空間內(nèi)過(guò)濾，但是無(wú)源濾波器濾波特性相對(duì)于有源濾波器較弱，為此本文在部分濾波器中增加安裝了運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)電路，在超聲波信號(hào)沒(méi)有進(jìn)入到濾波器中進(jìn)行了初步的特征放大，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)還可以將無(wú)功信號(hào)放大，使得無(wú)功信號(hào)也可以傳輸?shù)礁哳l環(huán)境中，代替超聲波的傳輸，從而避免了超聲波波長(zhǎng)較短的缺陷。本文采用LC帶通濾波器，覆蓋頻率在100～2 500 MHz之間，3 dB標(biāo)準(zhǔn)帶寬為5～20%。帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

觀察圖4可知，所有電阻和電容在帶通濾波器中均可以改變超聲波傳感器的測(cè)距范圍，保證電路中濾波頻率與誤差放大器頻率相同，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)帶通濾波器對(duì)超聲波信號(hào)的效果增益[12-14]。

1.5 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)電路的主要功能是執(zhí)行單片機(jī)中的工業(yè)機(jī)器人避障控制信號(hào)，對(duì)一些未知的控制信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)電路將電阻與電路電源直接連接，電阻在電路分支線路中起到分壓的作用，根據(jù)電阻的阻值大小以及數(shù)量確定電壓的多個(gè)等級(jí)，本文設(shè)計(jì)的電壓有0.75 V、1.6 V、2.5 V和3.3 V共4個(gè)等級(jí)[15]。信號(hào)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 信號(hào)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖

本文在設(shè)計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)節(jié)設(shè)備選用了比較器和觸發(fā)器兩個(gè)設(shè)備，其中0.75 V和1.6 V電壓的運(yùn)行等級(jí)使用比較器調(diào)節(jié)，2.5 V和3.3 V電壓的運(yùn)行等級(jí)使用觸發(fā)器調(diào)節(jié)[16-18]。比較器與觸發(fā)器與電路線路之間的連接點(diǎn)也作為數(shù)據(jù)的傳輸端口，端口的進(jìn)入端使用一個(gè)電容作為電流的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，確保檢測(cè)電路可以接收更廣范圍的電流信號(hào)。

1.6 繼電器設(shè)計(jì)

繼電器采用SIEMENS，在編程過(guò)程中，軟件沒(méi)有安裝指令庫(kù)，因此難以支持Modbus協(xié)議，因此本文在繼電器內(nèi)部安裝指令庫(kù)，控制通訊協(xié)議的子程序和中斷程序。在完成安裝后，對(duì)系統(tǒng)的協(xié)議指令進(jìn)行調(diào)度，從主站設(shè)備和從站設(shè)備兩個(gè)角度出發(fā)完成通訊。在變性程序的過(guò)程中，利用MBUS-INT完成信息初始化，通過(guò)智能儀表發(fā)出各種不同的命令。完成參數(shù)設(shè)置和信息監(jiān)控，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)送主站，接收智能儀表的詢問(wèn)命令。繼電器電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 繼電器電路結(jié)構(gòu)圖

本文選用的繼電器具有超級(jí)電容，即使失去外部的接地電源也能夠?qū)AM存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)存入到存儲(chǔ)器中，完成曲線計(jì)算，使系統(tǒng)始終能夠保持帶掉狀態(tài)，得到的數(shù)據(jù)能夠永久的保存在RAM中，提高系統(tǒng)的通用性，在復(fù)雜狀態(tài)下也能完成移植。即使系統(tǒng)能夠完成內(nèi)置集成，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也能得以增強(qiáng)。

綜上，利用單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊采集工業(yè)機(jī)器人障礙物信息，利用超聲波傳感器及回波接收電路設(shè)計(jì)控制工業(yè)機(jī)器人智能測(cè)算障礙物距離，通過(guò)帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)避障信息的高效傳輸，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及繼電器設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)能力。

2 基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳感器應(yīng)用過(guò)程的智能控制。在軟件設(shè)計(jì)部分，利用超聲測(cè)距技術(shù)測(cè)算工業(yè)機(jī)器人障礙物距離，對(duì)避障信息智能處理，實(shí)現(xiàn)基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人障礙物距離測(cè)算

超聲波傳感器在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)中以成組的方式存在，可以在不同的方向共同對(duì)外發(fā)出超聲波信號(hào)，再接收到反饋信號(hào)并實(shí)時(shí)處理，測(cè)算出精準(zhǔn)的距離參數(shù)。利用超聲波傳感器采集工業(yè)機(jī)器人障礙物坐標(biāo)點(diǎn)，假設(shè)其中一個(gè)超聲波傳感器的對(duì)外感應(yīng)距離為2L，那么可以初步確定障礙物與超聲波信號(hào)接收點(diǎn)之間距離如公式(1)所示：

(1)

其中：L1表示障礙物與超聲波信號(hào)接收點(diǎn)之間距離；M、K表示超聲波傳感器與超聲波信號(hào)接收點(diǎn)之間的距離和設(shè)置距離的倍數(shù)。

設(shè)置超聲波傳感器的間隔距離的關(guān)系如公式(2)所示：

(2)

超聲波的傳播路徑為S，則有如下關(guān)系：

L1≤S≤L2

(3)

即：

(4)

當(dāng)L1

2.2 基于超聲測(cè)距的避障信息處理

工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)一般安裝在實(shí)時(shí)動(dòng)作的機(jī)械設(shè)備上，需要超聲波傳感器能夠?qū)Ρ苷闲畔⑦M(jìn)行及時(shí)處理。本文設(shè)計(jì)的超聲波傳感器從不同的方向同時(shí)獲取外部的障礙信息，超聲波傳感器在進(jìn)行避障信息處理的過(guò)程中需要對(duì)這些信息進(jìn)行初步的綜合處理，判斷自身設(shè)備所在的環(huán)境狀態(tài)，在已知自身環(huán)境狀態(tài)的情況下實(shí)施避障策略。對(duì)于避障信息的詳細(xì)處理步驟如圖7所示。

圖7 基于超聲測(cè)距的避障信息處理流程

1)超聲波傳感器中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存元件大量采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，同時(shí)也將工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的動(dòng)作姿態(tài)記錄下來(lái)，超聲波傳感器中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存元件大量采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含不確定因素，因此建立一個(gè)模糊數(shù)據(jù)庫(kù)，將這些模糊數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在模糊數(shù)據(jù)庫(kù)中；

2)超聲波傳感器在較為狹窄的環(huán)境中會(huì)發(fā)出漫反射超聲波，該環(huán)境下產(chǎn)生的連續(xù)漫反射超聲波能夠提供更加精準(zhǔn)的測(cè)距數(shù)據(jù)，所以超聲波傳感器需要對(duì)漫反射信息及時(shí)定位并將信息上傳到模糊數(shù)據(jù)庫(kù)中；

3)數(shù)據(jù)進(jìn)入模糊數(shù)據(jù)庫(kù)中，運(yùn)行程序會(huì)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)按照方向類別進(jìn)行劃分選取，例如左側(cè)障礙物測(cè)距數(shù)據(jù)庫(kù)、右側(cè)障礙物測(cè)距數(shù)據(jù)庫(kù)、前方障礙物測(cè)距數(shù)據(jù)庫(kù)等；

4)避障信息處理的最后一步就是對(duì)不同方向的測(cè)距信息進(jìn)行提取，針對(duì)不同方向的障礙物距離規(guī)劃出避障路徑[19-21]。

在碰撞過(guò)程，系統(tǒng)需要發(fā)送軟件通訊模式組件有效的服務(wù)器，利用DTU完成信息通訊，軟件配置了mServer完成信息通信，通過(guò)不同的串口進(jìn)行信息交互。在參數(shù)設(shè)置輸入系統(tǒng)完成信息測(cè)量，如果測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠超過(guò)設(shè)定值，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒出現(xiàn)碰撞操作[22]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的有效性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的防碰撞性能進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)置工業(yè)機(jī)器人在正常狀況下運(yùn)行，設(shè)置碰撞阻礙，分析機(jī)器人在安裝本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)后，運(yùn)行狀況。

在對(duì)本文的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的有效性進(jìn)行檢測(cè)之前，要判斷檢測(cè)模板的正確性，設(shè)定校驗(yàn)?zāi)K，并設(shè)置屏蔽墻面，通過(guò)讀取傳感器反饋數(shù)值，分析校正值與偏差值的范圍，實(shí)現(xiàn)超聲提示，如果存在異常，需要發(fā)出警報(bào)。

超聲波傳感器測(cè)距信號(hào)預(yù)警閾值如表1所示。

表1 超聲波傳感器測(cè)距預(yù)警閾值

為保證驗(yàn)證效果，本文分別設(shè)計(jì)了在左側(cè)遇到障礙物、在右側(cè)遇到障礙物、存在拐角、遇到不可通行區(qū)域和遇到小型障礙物幾種情況，選用本文的防碰撞系統(tǒng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)行情況如圖8所示。

圖8 左側(cè)遇到障礙物運(yùn)行狀況

根據(jù)圖8可知，本文提出的防碰撞系統(tǒng)控制操控下的機(jī)器人在左側(cè)遇到障礙物之前向著右前方移動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到要遇到障礙物之后，機(jī)器人通過(guò)向右側(cè)旋轉(zhuǎn)巧妙地躲開(kāi)障礙物，沿著障礙墻壁直行，具有很好的避障能力。機(jī)器人在運(yùn)行一段時(shí)間后，遇見(jiàn)障礙物，工業(yè)機(jī)器人能夠感知到外界存在障礙，并改變?cè)镜倪\(yùn)行方式，沿著墻壁直行，防止出現(xiàn)碰撞。

根據(jù)圖9可知，根據(jù)上圖可知，在遇障礙物之前，防碰撞系統(tǒng)控制操控下的機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中向前方移動(dòng)，由于障礙墻壁在機(jī)器人的正右側(cè)，所以機(jī)器人能夠正常運(yùn)行。

圖9 右側(cè)遇到障礙物運(yùn)行狀況

根據(jù)圖10可知，在遇到拐角之前，機(jī)器人沿著墻壁直行，在檢測(cè)到拐角之后，機(jī)器人繞過(guò)拐角運(yùn)行，能夠正常行駛。

圖10 遇到拐角運(yùn)行狀況

觀察圖11可知，在遇到不可通行區(qū)域之前，機(jī)器人向著前方旋轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測(cè)到存在不可通行區(qū)域后，機(jī)器人改變運(yùn)行方向，走出不可通行區(qū)域。

圖11 遇到不可通行區(qū)域運(yùn)行狀況

根據(jù)圖12可知，本文提出的防碰撞系統(tǒng)控制操控下的機(jī)器人在遇到小型障礙物之后會(huì)改變運(yùn)行狀態(tài)，繞過(guò)障礙物向別的方位運(yùn)行。

圖12 遇到小型障礙物運(yùn)行狀況

通過(guò)上述測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)具備很強(qiáng)的防碰撞能力，在發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行的路線存在障礙物之后，系統(tǒng)就會(huì)立刻在監(jiān)控界面上確定故障的原因，通過(guò)設(shè)定參數(shù)完成數(shù)值設(shè)置，防止系統(tǒng)出現(xiàn)碰撞。

以文獻(xiàn)[3]提出的方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，測(cè)試兩種系統(tǒng)在避障控制方面的準(zhǔn)確性，得到對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 避障控制準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果

分析表1結(jié)果可知，本文系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率平均為97.4%，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率平均為84%。本文系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)置了訪問(wèn)控制程序，計(jì)算機(jī)可以更好地操控系統(tǒng)，超聲波傳感器傳輸?shù)男盘?hào)像雷達(dá)一樣反射給目標(biāo)，在短距離使用中有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將傳感器與攝像機(jī)結(jié)合到一起，工業(yè)機(jī)器人能夠觀察周圍環(huán)境，并檢測(cè)目標(biāo)，因此能獲得準(zhǔn)確的避障信息。

超聲波內(nèi)部的響應(yīng)集線器能夠分析信息，頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，具有很強(qiáng)的折射能力。雖然在介質(zhì)傳播過(guò)程中，隨著距離的增加，得到的能量也逐漸衰減，但是由于本文引入了傳感器，因此在擴(kuò)散、散射和吸收傳感器能量上，本文研究的系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

壓電晶片的共振頻率與工作頻率相同，根據(jù)工作原理可知，如果兩端的交流電壓頻率與晶片頻率能夠保持一致時(shí)，系統(tǒng)具有很大的輸出能量，能夠在短時(shí)間內(nèi)做出靈敏的判斷，提高系統(tǒng)操控的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行準(zhǔn)確性。由于在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)的工作溫度較低，因此本文設(shè)計(jì)了長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)功能，防止在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)失效。

由于晶體本身的耦合系數(shù)很大，所以自身的靈敏度得以加強(qiáng)。在探測(cè)過(guò)程中，傳感器聽(tīng)到聲音就能輸出信息，所有的信息會(huì)反饋給超聲波傳感器，利用傳感器實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)，擴(kuò)大傳感范圍。由于碰撞的目標(biāo)可能體積較大，憑證密度較高，因此本文設(shè)計(jì)的避障孔明之系統(tǒng)引入的變換器呈現(xiàn)角度物體，如果在短時(shí)間內(nèi)，傳感器都沒(méi)有得到有效的信息，超聲波傳感器會(huì)自動(dòng)加長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)分析多次研究得到的平均值，防止信息在傳播的過(guò)程中出現(xiàn)偏離。在超聲狀態(tài)下，傳感器可以通過(guò)分析干擾來(lái)判斷物體是否存在。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)置了溫度補(bǔ)償功能，這種功能可以有效對(duì)外界環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使外界環(huán)境溫度出現(xiàn)改變，本文設(shè)計(jì)的防碰撞系統(tǒng)也能夠自我調(diào)節(jié)，防止由于溫度梯度出現(xiàn)變化，或者環(huán)境溫度變化過(guò)快對(duì)超聲波傳感器造成的影響，提高測(cè)量精度。

綜上所述，本文將以超聲波傳感器作為工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，利用超聲波傳感器的作用特點(diǎn)和與工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)之間的配合度解決工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)中信號(hào)不穩(wěn)定、測(cè)距參數(shù)誤差較大等問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在超聲波傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮超聲波傳感器方向性良好、不易受外部環(huán)境干擾等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出了超聲波傳感器在工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)中的核心軟硬件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于超聲測(cè)距的工業(yè)機(jī)器人避障控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定的工業(yè)機(jī)器人避障控制，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了避障控制的準(zhǔn)確性。