自主移动机器人控制系统软件设计(5)

（4）超声波的盲区问题及解决方法

超声波测距是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小，

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

因为回波会随着距离的增加而发散，从而强度变小。但是在刚发射信号的时候，返回信号的阀值会被设定的很高以防止发射波直接触发接受器，但是这样造成一个问题，就是如果检测的距离很短，在阀值没有下降之前，返回信号已经到达接收器，这时，接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号，从而拒绝接受。超声波传感器就会有一个探测盲区，这样没法对近距离物体探测。如图所示：

图7 超声波发射脉冲及一个通道工作时序图

图7中可见，接收回路中测得的超声波信号共有两个波束，第一个波束为余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组40KHz的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，并持续一段时间。另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的回波信号。

超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，在上图中就可看出，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。本系统的盲区约为50cm左右。

超声波盲区的解决方法：在软件上控制脉冲发射和检测超声波回波信号，即程序采用脉冲测量法，由ARM的PF0~PF3口控制超声波模块中的555定时器发生40KHz的脉冲信号，每次发射的脉冲数至少要12个完整的40KHz脉冲（程序中为20个左右）。打开555定时器发射40KHz的脉冲信号后，延时0.5ms，关闭555定时器，延时，等延时到达一定值后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。

采用外部中断对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为一序列方波脉冲）。接收到回波信号后，马上读取计数器中的数值，此数据即为需要测量的时间差数据。

一般超声波探测器的频率为40Hz，探测范围为50cm－5m，精度为98%-99.1%,分辨率为1cm。同时超声波是一个20－40度角的面探测，所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列来获得180度甚至360的探测范围。 超声波还有其它几个缺点，比如交叉感应，扫描频率低，尤其

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

是使用超声波阵列的时候，还有回波衰减，折射等问题。不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最廉价和有效的传感器。

2.3.2 红外线避障模块

（1）常用避障电路的实现方法

移动机器人避障电路设计常用的方法有两类：一种是超声波传感器；另一种是红外线传感器。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，但超声波技术受干扰影响比较大，无法对近距离物体进行测量。采用红外线技术设计避障电路，主要优点是廉价，而且，红外线常用于遥控电路，技术比较常熟，电路设计也比较简单，但是，它的避碰距离不是很远，一般最远也不会超过1m。

移动机器人近距离的避障采用的是红外线避障电路。

（2）红外线避障电路基本原理

采用红外线技术设计避障电路方法一般有两种，一种是基于红外线发射二级管和红外线接收二级管来设计；另外一种是基于红外线发射二极管以及红外线接收头来设计，两种方法的最大区别就在于接收电路，前者主要是要自行设计出红外接收二极管的接收电路，而后者用到的红外接收头内部就是一个接收电路，所以后者就比较简洁，而且效果比前者要好的多。

基于红外接受头来设计避障电路，方法也有很多种，但基本的原理还是统一的。电路基本原理就是由控制红外发射二级管发出38K赫兹左右的方波，当有障碍物的时候，红外接收头out端口输出的为低电平，没有障碍的时候，out端口输出的为高电平。机器人可通过识别out数据反馈端的高低电平来判断前方是否有障碍物。该避障电路系统避障能力经实验所得，最大避障距离为50cm左右。而实现方案的不同点主要是信号发送电路部分，具体的实现方法有很多种：一种是基于微型单片机来控制红外发射二极管发送38K赫兹的信号（主要单片机是89C2051以及PIC），另外一种是基于555定时器来设计的。本文就是采用后者来实现的。

（3）红外线避障系统的电路图实现

通过NE555定时器产生38KHz的脉冲信号，连接红外线传感器的发射头，发送红外线信号，通过集成的接受头传感器来接受红外线信号，通过电路图8和电路图9实现红外线的发送接受。

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8 红外线发射电路

图9 红外线接收电路

该实物图几个功能模块的简单介绍：

图8左上角部分包括555定时器、电容、电阻构成了一个发射38K赫兹的方波电路，由555定时器的端口3输出一个方波，右上角是一块放大电路图，由一个三极管来放大红外发光管的驱动电流；其中通过精调电位器可以调节红外发光二级管的电流来控制发射强度。

图9是红外线接收头电路（脚5是返回有无障碍物信号）。

2.4 运动系统

从移动方式上看,移动机器人可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)和水下推进式。轮式机器人由于其较高的运动速度，在平坦的环境中具有独特的优越性，同时，轮式机器人比较履带机器人具有灵活、速度快和制造方便，但它通行能力没有履带机器人强，在无大的突变(相对其轮半径而言)和硬质地形运动因此，另外轮式机器人驱动和控制相对比较容易，稳定性也较足式机器人好。因此，国内外学者在移动机器人方面的研究大量是基于轮式机器人。

（1）电机驱动原理

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

本文研究的移动机器人就是采用轮式移动方式，以双向直流电机作为运动模块，以L298N芯片实现电机驱动。L298N芯片是一种高压、大电流、双桥式驱动器，其设计是为了接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆通形线圈。直流电动机和步进式电动机。具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每个桥的三极管的射极是连在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源 …… 此处隐藏：1593字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……