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一、引言 在自主移動機器人的實時避障和路徑規劃過程中，機器人須依賴于外部環境信息的獲取，感知障礙物的存在，測量障礙物的距離。目前，機器人避障和測距傳感器有紅外、超聲波、激光及視覺傳感器。激光傳感器和視覺傳感器價格貴，對控制器的要求較高，因而，在移動機器人系統中多采用紅外及超聲波傳感器。 多數系統采用單一傳感器進行信息采集，但超聲波傳感器因為存在測量盲區的問題，測距范圍一般在30～300cm之間；而紅外測距傳感器的探測距離較短，一般在幾十厘米之內，它可以在一定程度上彌補超聲波傳感器近距離無法測量的缺點。因而，本系統采用多路紅外和超聲波傳感器進行距離信息的測量和采集。 二、測距原理及方法 （一）超聲波傳感器 超聲波是指諧振頻率高于20 Hz的聲波，頻率越高反射能力越強。超聲波傳感器價格低廉，其性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾的影響，并且，金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100％的超聲波，因而，可以用來探測物體。 超聲波測距的方法為回聲探測法，發射換能器不斷發射聲脈沖，聲波遇到障礙物后反射回來被接收換能器接收，根據聲速及時間差計算出障礙物的距離。距離與聲速、時間的關系表示為 式中：s為與障礙物間的距離，m; c為聲速，m/s；t為第一個回波到達的時刻與發射脈沖時刻的時間差，s。 c與溫度有關，空氣中聲速與溫度的關系可表示為 式中c為聲速，m/s; θ為環境溫度，℃。 （二）提高超聲波測距精度的方法 1．采用合適的頻率和波長：使用超聲波傳感器測距，頻率取得太低;外界雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播過程中衰減較大。并且，超聲波傳感器在測量過程中容易產生盲區，接收端易接收到泄漏波。改善這一缺點，須減少發射波串的長度，增高發射波頻率。但發射波串長度過短會使得發射換能器不能被激振或激振達不到最大值；發射波頻率過高則衰減大，作用距離下降、有試驗表明：使用40 kHz的超聲波，發射脈沖群含有10-20個脈沖，具有較好的傳播性能。 2．提高系統的計時精度也可提高超聲波的測距精度，計時器的計數頻率越高，則由于時間的量化誤差所引起的測距誤差就越小。 3．對系統電路的時間延遲進行補償可以減小測距誤差，提高測距精度。延遲時間 式中△t為延遲時間，s;s1,s2為2個已知的測量距離，m；t1，t2為對應的測量時間，s。 （三）紅外避障傳感器 紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強的穿透能力和能貫穿某些不透明物質等。紅外傳感器包括紅外發射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強的發射和接收能力。 紅外傳感器的的測距基本原理為發光管發出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，據此判斷前方是否有障礙物。根據發射光的強弱可以判斷物體的距離，它的原理 是接收管接收的光強隨反射物體的距離而變化的，距離近則反射光強，距離遠則反射光弱。 目前，使用較多的一種傳感器-紅外光電開關，它的發射頻率一般為38 kHz左右，探測距離一般比較短，通常被用作近距離障礙目標的識別。本系統采用的即為此種傳感器。 （四）紅外測距的缺陷 受器件特性的影響，一般的紅外光電開關抗干擾性差，受環境光影響較大；并且，探測物體的顏色、表面光滑程度不同，反射回的紅外線強弱就會有所不同。 三、硬件系統構成 （一）系統組成 該測距系統由單片機、超聲波發射接收電路、紅外發射接收電路、數碼顯示電路及串口通信電路等模塊組成，見圖1。控制核心為凌陽16位單片機SPCE061 A，芯片上集成有2個16位可編程定時器/計時器，14個中斷源，32位通用可編程輸人/輸出通道，7通道10位A/D轉換器。 移動機器人的前方、左方、右方各安裝一套超聲波及紅外傳感器，使機器人能夠感知3個方位的障礙信息。單片機在接收到傳感器的信息后，將傳感器的信號轉換為距離信息，在LED數碼管上顯示，并通過串口RS - 232接口與上位PC機通信，傳輸距離信息。 （二）超聲波傳感器電路 凌陽單片機的I/O9-I/O11口接三路超聲波發射電路，I/O3-I/O5接三路超聲波接收電路。單片機產生的40 kHz信號由I/O輸出，經反相器4049B組成的升壓放大電路，最后，由超聲波發射換能器UCM40T發射；聲波遇到障礙物返回，被接收換能器UCM40R接收，信號經OP07組成的兩級放大電路放大，通過鎖相環音頻譯碼器LM567選 頻，濾除干擾信號，最后，通過I/O口輸入單片機。單片機通過聲波的傳輸時間計算障礙物距離。 （三）紅外傳感器電路 凌陽單片機的I/O0～I/O6可作為10位A/D轉換器。本系統中，凌陽單片機的I/O0～I/O2口作為A/D轉換器使用，I/O6～I/O8接三路紅外發射電路，I/O0～I/O2接三路紅外接收電路。單片機I/O口輸出高電平時與紅外發光管TLN205導通，發射紅外光；光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收管TPS708接收，產生一個與光強相對應的電流，電流經LM358組成的兩級放大電路放大后，輸出一個0～3V的模擬電壓，經A/D口輸人單片機。單片機通過 電壓的大小計算、判斷障礙物的距離。 四、軟件設計 單片機SPCE061 A選用系統時鐘頻率fosc＝20.480MHz，CPU時鐘頻率（CPUCLK）為fosc/2＝10. 24 MHz，時鐘源A選用頻率32768 Hz，時鐘源B選用頻率1 Hz,,SPCE061A提供2個16位的定時／計數器：TimerA和TimerB。TimerA的時鐘源由時鐘源A和時鐘源B進行與操作形成；TimerB的時鐘源僅為時鐘源A。 40 kHz的超聲波脈沖為高低電平各占12.5μs的方波，CPU時鐘計數延遲123個指令周期即為12.5μs。單片機通過不斷的交替產生12.5μs的高低電平即可產生40 kHz的脈沖信號，每次發射20個脈沖的脈沖群，持續0.5 ms，脈沖發射、間隔時間至少20 ms，從I/O口輸出。系統選用定時器A作為產生20 ms的定時中斷，選用定時器B作為超聲波計數器。 由于超聲波傳感器存在測量盲區，因而，在程序設計中，將遠于30 cm的測距由超聲波傳感器完成，30 cm以內由紅外傳感器完成。 紅外測距過程中，選用定時器A產生0.1S的中斷進行A/D采樣，并將采樣的電壓值轉換為距離信息。 主程序中，首先，進入紅外探測子程序，如果探測到障礙物，則進人數據傳輸、顯示及運動控制子程序；沒有探測到障礙物，則進入超聲波探測子程序。超聲波探測到障礙物，則進人數據傳輸、顯示及運動控制子程序，沒有探測到障礙物，則循環進行紅外探測。圖2、圖3分別為紅外及超聲波探測子程序。 五、測量結果 試驗過程中，采用同大小、質地、顏色的障礙物進行測量。試驗表明：系統在0～200 cm的范圍間測距精度在1％之內，能夠較為準確對障礙物進行測距。在30 cm以內的測距由紅外傳感器完成，30～200 cm之間的測距由超聲波傳感器完成，試驗結果見表1。 六、結束語 本文研究了一種低成本、低功耗、高效能的移動機器人側距系統，采用超聲波和紅外傳感器的多傳感器系統，有效地解決了單一傳感器測距系統中測量盲區的缺陷問題；并且，采用3組傳感器組裝配在機器人的3個不同位置，使得機器人可完成3個不同方位的測距任務。 |
