機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

[摘 要]近年來機(jī)器人研究也日漸成為熱門的研究話題。本設(shè)計(jì)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在多種視覺傳感器比較中選擇了性價(jià)比較高的超聲波傳感器，以達(dá)到避開障礙物和視覺模擬的效果。本設(shè)計(jì)詳細(xì)分析了超聲波傳感器的工作原理、工作特性、工作盲區(qū)，設(shè)計(jì)了由觸發(fā)器、放大器、比較器等組成的超聲波發(fā)射、接收部分，由單片機(jī)及其外圍電路組成的運(yùn)算處理部分，并且進(jìn)行了論證。整個(gè)設(shè)計(jì)針對(duì)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出了用于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人避開障礙物的視覺傳感器系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確的測(cè)出障礙物并做出反應(yīng)，安全實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障。

[關(guān)鍵詞]移動(dòng)機(jī)器人 機(jī)器人視覺 超聲波傳感器 避障系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TP [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5489(2009)09-0121-02

一、概述

移動(dòng)機(jī)器人是能夠在室內(nèi)或野外連續(xù)、實(shí)時(shí)地自主運(yùn)動(dòng)的智能機(jī)器人，是一種集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的高智能化機(jī)器系統(tǒng)。它可根據(jù)預(yù)先給定的任務(wù)，按照已知地圖進(jìn)行目標(biāo)規(guī)劃，在行進(jìn)過程中不斷感知周圍環(huán)境的信息，實(shí)時(shí)的進(jìn)行避障、停車及道路跟蹤，沿著正確的路徑前進(jìn)。

本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器對(duì)外界環(huán)境的探測(cè)，來獲知外部的信息，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的基本功能之一避障。用超聲波發(fā)射和接收探頭來設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射和接受設(shè)備，發(fā)出的信號(hào)遇到障礙物反射回來由設(shè)計(jì)的接受回路接受且經(jīng)過處理電路，最后由處理芯片計(jì)算出結(jié)果，發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人避障的操作。在實(shí)時(shí)避障的同時(shí)能夠配合機(jī)器人的其他傳感器組

建成龐大的智能機(jī)器人系統(tǒng)。

二、方案確定

1.感器技術(shù)概述

傳感器是一種能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)化成可用型號(hào)的裝置;相當(dāng)于人眼(視覺)是視覺傳感器，機(jī)器人避障用的傳感器主要有二維視覺傳感器、激光雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器等幾種。本論文使用超聲波傳感器。

2.方案比較

本節(jié)對(duì)所要用的器件進(jìn)行了對(duì)比。

在傳感器方面，紅外和超聲波傳感器是候選的兩種傳感器，通過在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、抗干擾等多個(gè)方面進(jìn)行比較，最后選擇超聲波傳感器。

在處理芯片方面，選用在價(jià)格和性能都具有優(yōu)勢(shì)的AT89C51。

三、硬件設(shè)計(jì)

1.概述

本設(shè)計(jì)目的在于研究移動(dòng)機(jī)器人的避障系統(tǒng)、用超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺功能。由于是室內(nèi)避障，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，需要用到較多的模擬電路知識(shí)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是功耗低，缺點(diǎn)是模擬信號(hào)通常會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，往往得到的不是完全準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但在機(jī)器人避障系統(tǒng)中，誤差不可避免，只要在允許的范圍內(nèi)，都是可以接收的。

2.諧振頻率發(fā)生電路

用多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路產(chǎn)生一個(gè)40kHz的高頻信號(hào)，得到的信號(hào)頻率為40.99kHz，占空比為51%，高電平時(shí)間為12.48μs，低電平時(shí)間為11.92μs。

3.信號(hào)調(diào)理電路

這部分的作用是實(shí)現(xiàn)把上一級(jí)的40kHz的信號(hào)分成互補(bǔ)的兩個(gè)信號(hào)，由超聲波探頭發(fā)出。

4.超聲波接收一級(jí)放大電路

先由超聲波接收探頭接收到發(fā)過來的信號(hào)，在把濾波后的互補(bǔ)的信號(hào)分別加載到運(yùn)放NE5532的正負(fù)兩端，形成差動(dòng)放大信號(hào)，同時(shí)抑制共模信號(hào)的產(chǎn)生。

5.電壓比較電路

電壓比較電路我們用的是LM311芯片，輸入信號(hào)通過和IN+引腳輸入的電壓進(jìn)行比較，如果電壓高于基準(zhǔn)電壓，則在OUT端口輸出信號(hào)。

6.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，需要外加驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)用了六個(gè)三級(jí)管，其中四個(gè)三極管的基級(jí)分別為K1、K2、K3、K4，通過控制它們電平的高低，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。

7.電源電路

本設(shè)計(jì)是考慮在室內(nèi)機(jī)器人在移動(dòng)范圍不在的狀態(tài)下，是可以連接外部電源的，但是為了功能擴(kuò)展的需要，本設(shè)計(jì)都采用內(nèi)部電源，便于移動(dòng)。

四、程序設(shè)計(jì)

1.超聲波避障原理

聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，那么就可以計(jì)算出從聲波到目標(biāo)的距離。這就是本設(shè)計(jì)的原理。本設(shè)計(jì)運(yùn)用的測(cè)距方法是渡越時(shí)間法TOF(time of flight)即聲波從發(fā)射到碰到障礙物之后被接收所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。依據(jù)的原理是聲源與目標(biāo)之間的距離與聲波在聲源與目標(biāo)之間往返傳播所需的時(shí)間成正比。

2.程序設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

本設(shè)計(jì)涉及到一個(gè)主程序和三大子程序模塊——定時(shí)中斷子程序、外部中斷子程序、避障與驅(qū)動(dòng)子程序。避障開始先運(yùn)行主要程序，再在運(yùn)行過程中先后調(diào)用定時(shí)中斷子程序、外部中斷子程序、避障與驅(qū)動(dòng)子程序。為了確保超聲波余波不對(duì)主信號(hào)造成干擾，在發(fā)出超聲波之后立刻把單片機(jī)接收端打開，而是在經(jīng)過一段延時(shí)后，打開接收端口。

程序先單片機(jī)初始化，再對(duì)定時(shí)器T0定時(shí)12348μs(這個(gè)時(shí)間為超聲波發(fā)出信號(hào)到最終超時(shí))，對(duì)定時(shí)器T0進(jìn)行判斷，過488μs后(超聲波發(fā)出20個(gè)方波信號(hào)完畢)，再過100μs打開終端0，開始接收超聲波信號(hào)。然后一直判斷定時(shí)器T0是否有溢出，有則退出，否則等待信號(hào)返回。當(dāng)檢測(cè)到有信號(hào)時(shí)，由計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)，排除干擾的可能。確定為有用信號(hào)后，關(guān)定時(shí)器T0，把T0數(shù)值與聲速相乘，得出距離。然后調(diào)用避障子程序。

五、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中通過視覺傳感，探測(cè)障礙物、自主躲避障礙物等基本

功能。基本上滿足了任務(wù)要求，也實(shí)現(xiàn)了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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