自主移动机器人控制系统软件设计(4)

随着机器人在非结构化环境中使用的越来越来频繁,机器人所承担的任务与日俱增。8位的微处理器比如MCS-51已经不能满足任务需要。32位的处理器已经成为机器人首选的控制核心。本文提出了一种用于移动机器人的控制方案。这个方案采用红外线和超声波传感器进行定位和避障,使用直流电机实现机器人移动,使用带有嵌入

测量。

电涡流测距传感器的最简单的形式只包括一个线圈，线圈中通入交变电流，当传感器与外界导体接近时，导体中感应产生电流，即电涡流效应，传感器与外界导体的距离变化能够引起导体中所感应产生电流的变化。通过适当的检测电路，可从线圈中耗散功率的变化中，得出传感器与外界物体之间的距离。

霍尔效应测距传感器则因其应用此原理而得名，当传感器远离被测导体时，在特定导体上有较强的磁场；当其靠近时，磁场变弱。磁场的变化引起特定导体两端电压的变化，根据这个原理可实现对距离的测量。

由以上对于几种感应式传感器的分析可以看出，它们存在一些相同的缺陷：这一类传感器一般对于铁磁材料比较敏感；检测信号（电压、电流等）与被测量（距离）之间不是线性的对应关系；测量时受外界电磁干扰较大；可测量的范围较小，距离较近，一般仅为零点几毫米。显然，它们都不适用于移动机器人的测距。

（2）电容式测距传感器

此类传感器通过测量外界物体靠近传感器所引起的电容变化来反映距离信息。最基本的用于检测电容变化的电路中，将电容作为振荡电路中的一个元件，只有在传感器电容值超过某一阀值时，振荡电路才开始振荡，将此信号转换成电压信号，即可表示与外界物体的距离。电容式传感器只能用来检测很短的距离。一般仅为几个毫米，超过这个距离，传感器灵敏度将急剧下降，并且由于内部采用阀值判断，不能起到精确测量的作用，而只能实现开关的工作方式。因此，不适合精确的测距用途。

（3）红外和光电传感器

这类测距传感器是依靠红外线或是其它不可见光的直线传播特性，通过光敏元件来发射和接收信号，从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也是主要用于状态的判断（障碍物的有否、物料是否到位、液面是否过高等）而无法实现对距离的实时测量，因此这类传感器不适用于移动机器人的测距但可用于移动机器人的避障装置。

（4）超声测距传感器

在排除了以上几种测距传感器的条件下，选择了超声测距传感器，作为移动机器人测距的主要传感器部件。主要有以下几方面的因素：

随着机器人在非结构化环境中使用的越来越来频繁,机器人所承担的任务与日俱增。8位的微处理器比如MCS-51已经不能满足任务需要。32位的处理器已经成为机器人首选的控制核心。本文提出了一种用于移动机器人的控制方案。这个方案采用红外线和超声波传感器进行定位和避障,使用直流电机实现机器人移动,使用带有嵌入

①测量方式原来简单，便于实现。

②测量范围可以从几厘米一直到几十米，完全满足了移动机器人测距的要求。

③测量精度高，整体误差可以控制在量程的0.5%范围内。

④超声波传感器有一定的覆盖性，因此，可以有较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。 ⑤被测量物体的最小尺寸可以通过选择测量用超声波信号的波长（频率）来决定。

目前，超声波测距传感器在移动机器人导航中应用十分广泛。它的测量原理是基于测量渡越时间，即测量从发射换能器发出的超声波，经目标反射后，沿原路返回到接收换能器所需的时间。由渡越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器之间的距离。这种测距方法对软件算法的要求比较低，本文也将采用这种方式来测距。

在选定传感器的基础上，必须进一步对整个传感模块的工作方式加以确定。

（1）传感器数量的选择

由于机器人需要检测的范围包含整个前进方向，因此，传感器的测量范围也必须以此为依据；同时，为了能够为避障和轨迹规划提供更多的环境参数，机器人对于其左右两边及后方的环境也要加以探测。因此，在设计中，本文选择了8个超声波传感器和5个红外线传感器。

（2）实际探测范围

由于每一个超声波、红外线传感器都有其一定的信号有效范围，因此，传感器的整体布局就直接决定了移动机器人的实际可探测范围，对于超声波传感器，其所能探测的可靠区域是指发射探头和接收探头共同的信号区域（如图2）。

图2 单对超声波传感器的探测范围

而由几个信号有效区域组合在一起，就形成了实际可探测范围（每对传感器之间是分时工作的）。

随着机器人在非结构化环境中使用的越来越来频繁,机器人所承担的任务与日俱增。8位的微处理器比如MCS-51已经不能满足任务需要。32位的处理器已经成为机器人首选的控制核心。本文提出了一种用于移动机器人的控制方案。这个方案采用红外线和超声波传感器进行定位和避障,使用直流电机实现机器人移动,使用带有嵌入

图3 由三对传感器组成的整体探测范围

以前方三组传感器为例，在布置时是按照一定的尺寸要求，使三对传感器共同组成的探测范围完全包括了移动机器人所需通过的空间（如图3所示）。在图3中，在机器人运动方向上划分出不同的区域，离车身较远的是测量区，传感器的可靠测量集中在这一部分，而距离比较近的是盲区。在这一区域内，由于传感器自身存在的缺陷以及安装结构的局限，使机器人对于障碍物的测量存在盲点，是测量的不可靠区域。为了消除这一盲区，在超声波传感器的基础上，再使用红外线传感器对这一盲区的障碍物进行有效测量，从而实现移动机器人的全面避障。

（3）工作时序

由于总共存在八对超声波传感器，而且为了减少对与对之间的干扰，每一个传感器必须具有单独的工作时间段。因此，它们之间必定存在一定的工作时序。在数据采集系统中，是通过扫描的方式，循环地控制回路选择开关，使其按照一定的顺序接通每对探头。由于机器人在不断地移动，为了使传感器获得的信息迅速地反映环境的变化，扫描的周期必须足够的短（相对于环境变化和机器人的移动速度）。在具体实施中，扫描周期为几十毫秒，这样就极大地提高了整个系统的响应速度。

超声波传感器只要安装准确，对与对之间不要靠的太近，发射信号不要让其他接收头接收到，就不存在着工作时序的问题。

2.3 各传感器模块的硬件实现

2.3.1 超声波测距模块

（1）脉冲回波测距法

超声波测距利用了超声波在空气中是以恒定的速率传播这一特性，在已知声波传播速率的前提条件下，通过向被测物体发射超声波，接受其反射回波，并记录发射与接收之间的时间间隔，

随着机器人在非结构化环境中使用的越来越来频繁,机器人所承担的任务与日俱增。8位的微处理器比如MCS-51已经不能满足任务需要。32位的处理器已经成为机器人首选的控制核心。本文提出了一种用于移动机器人的控制方案。这个方案采用红外线和超声波传感器进行定位和避障,使用直流电机实现机器人移动,使用带有嵌入

从而计算出被测物体的距离。由于每次发射的都是一定宽度的脉冲信号，因此，这种测距方法称为脉冲回波测距法。

假设室温下声波在空气中的传播速度是C，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，距离S可以由下列公式计算：

S=ct/2（因为声波经过的距离是声源与目 …… 此处隐藏：2585字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……