基于超聲波傳感器的AGV避障模塊設計與實現

楊芳沛，李偉光，鄭少華，劉維民

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

AGV全稱Automated Guided Vehicles，是一種裝有自動導引裝置，能夠沿規定的路徑行駛，具有編程和停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種物料移載功能的自動導航車[1]。障礙物檢測是自動導航車研究的一個基本問題，是實現安全、正常工作的前提。超聲波傳感器以其價格低廉、測距精度高、測量穩定、體積小等優點，被廣泛用于AGV的避障檢測[2]。本文以超聲波傳感器為基礎，結合CAN總線技術，設計一種AGV避障模塊，實現準確、有效、穩定的障礙物檢測，確保AGV的安全運行。

1 超聲波傳感器波束角測量

該避障模塊使用的超聲波傳感器內部以渡越時間法[3]進行測距，并自帶溫度傳感器對測量結果進行校正，能夠對2 cm至4.5 m距離范圍內的障礙物實現準確的距離測量。開始測量時，控制器通過UART向超聲波傳感器的TX引腳輸入觸發信號，傳感器發送探頭啟動并發射超聲波脈沖，然后接收探頭進入回波檢測狀態。在接收探頭檢測到回波信號后，結合溫度補償計算測距結果，并通過傳感器的RX引腳輸出距離測量數據。

1.1 超聲波傳感器測距數據采集

由于超聲波傳感器的探測波束角較小，在其實際應用中，一般使用多個傳感器組成傳感器陣列[4]，以擴大探測范圍。超聲波傳感器陣列的構建，須解決傳感器在AGV上的布局問題，具體來說就是傳感器數量和安裝間距的選擇問題。傳感器數量和安裝間距的選擇須根據最小盲區要求確定，而超聲波傳感器的探測波束角是計算盲區的重要參數，因此需要設計實驗測量傳感器的探測波束角。

如圖1的（a）所示，將超聲波傳感器固定于某點，在其前方選擇與傳感器探頭距離為d的某點放置障礙物，進行測距實驗并記錄測距值。為了使實驗結果能夠充分反映實際情況，實驗中選取不同距離d，且對于每個距離，以超聲波傳感器中軸線為原點，在左右兩側都選擇離中軸線距離為L的多個點來放置障礙物。實驗AGV對避障模塊所要求的檢測距離為0～2.5m，實驗中選取的d序列為[100，200，300，400，600，800，1 200，1 600，2 400]mm；常用的超聲波傳感器波束角一般小于60°，所以對于每個距離d，在離中軸線[-0.6×d，0]和[0，0.6×d]范圍內以相同間隔各選取 10個點作為L的值。

圖1 超聲波傳感器測距實驗方案與結果Fig.1 Scheme and result of ultrasonic sensor's distance measuring experiment

1.2 超聲波傳感器測距數據處理

在圖1（a）的實驗中，利用勾股定理，可以得到障礙物實驗中擺放位置與超聲波傳感器的實際距離：

設超聲波傳感器測距值為，則測量結果的相對誤差為：

對實驗中的每一個測距值s′，結合式（1）和式（2）可計算出相應的相對誤差。將實驗數據導入至Matlab中，以L為橫坐標、d為縱坐標、σ為豎坐標，對其插值并作圖，如圖1（b）所示。

從實驗結果可以看出，將障礙物擺放于超聲波傳感器可檢測到的區域時，檢測結果的相對誤差都能夠滿足σ<6%，因此在圖1（b）中選取相對誤差σ<6%的區域，可得到超聲波傳感器的波束角約為θ=40°。

2 AGV避障傳感器布局設計

2.1 傳感器數量和布局方式選擇

AGV避障模塊檢測的盲區大小與超聲波傳感器的安裝數量、安裝間距有關，傳感器數量越多、安裝間距越小，檢測盲區就越小，反之則大。超聲波傳感器利用障礙物對聲波的反射作用進行距離檢測，這一特性也決定了交叉串擾現象的存在[5]，即一個傳感器發射的聲波經障礙物反射后，能夠被相同檢測方向的傳感器接收到，從而產生錯誤的測距結果。因此在使用多個超聲波傳感器進行障礙物檢測的場合，常采用傳感器交替工作方式[5]，即某一時刻有且只有一個超聲波傳感器在檢測障礙物。若傳感器安裝數量過多，AGV避障檢測周期就會增大，影響其檢測實時性，從而對AGV的安全工作產生不利因素。從減小盲區和提高避障檢測實時性兩方面綜合考慮，從實驗AGV的500 mm車寬出發，初步確定在所應用的實驗AGV的車頭安裝4個超聲波傳感器。由于實驗AGV不需要倒車和側向移動，所以其車尾和側面不需要安裝超聲波傳感器。

為了使每兩相鄰超聲波傳感器之間的檢測盲區大小保持一致，4個傳感器采用等距布局的方式，如圖2（a）所示。兩相鄰傳感器的距離為：

左右兩側傳感器距離AGV側面的距離為：

2.2 避障預警距離和檢測盲區計算

如圖2（b）所示，距離AGV兩側250 mm范圍內為側面安全距離。中間的2、3號超聲波傳感器作為主探測器，兩側的1、4號為輔助探測器。其中輔助探測器用于減小主探測器的測量盲區。主探測器和輔助探測器的預警距離分別為：

在AGV的避障檢測中，當障礙物進入2、3號超聲波傳感器的d3范圍或1、4號超聲波傳感器的d2范圍內時，AGV停車報警。

在圖2（b）中，AGV車頭前面的陰影部分為避障檢測模塊的檢測盲區區域，由多個三角形組成，該區域垂直距離（即三角形的高）為：

圖2 超聲波傳感器布局和避障模塊的探測區域Fig.2 Layout of ultrasonic sensors and detecting area of obstacle avoidance module

可見，在此布局方案中，AGV避障模塊的檢測盲區較小，配合安裝于車頭的防撞桿，能夠滿足AGV安全運行的要求。

3 AGV避障模塊硬件設計

3.1 避障模塊硬件結構

AGV避障模塊的硬件結構如圖3所示，模塊以AVR單片機為控制核心。在避障檢測時，由于每次只有一個超聲波傳感器處于工作狀態，所以4個超聲波傳感器可通過多路模擬選擇開關共享AVR單片機的UART接口。當避障模塊預警區域存在障礙物，AVR控制語音芯片播放語音提示[6]，并通過CAN總線將預警狀態和障礙物距離發送到AGV的總控制器。

圖3 AGV避障模塊結構Fig.3 Structureof AGV's obstacle avoidance module

3.2 語音預警功能電路

AGV避障模塊語音預警功能電路如圖4。當障礙物進入預警區域，AVR單片機通過三線串口控制WT588D-U語音芯片讀取內部的音頻文件，并輸出相應音頻信號，經LM386功率放大后輸出到小型喇叭。通過調節R7變阻器調節端可改變語音預警的音量大小。

圖4 語音預警硬件電路Fig.4 Hardware circuit of voice warning

3.3 超聲波傳感器控制電路

如圖5所示，AVR單片機通過CD4052多路模擬選擇開關對四個超聲波傳感器進行控制[7]。ChaSelA和ChaSelB信號的四個不同狀態組合分別代表模擬開關的四個通道。CSB_TrigN和CSB_EchoN分別是超聲波傳感器觸發信號輸入端和測距數據輸出端。工作時，利用ChaSelA和ChaSelB信號選擇所要控制的超聲波傳感器，模塊控制器通過TXD引腳向所選定的傳感器發送觸發信號，傳感器即向前方發送聲波，并在接收到回波信號后，向控制器發送測距數據。

圖5 超聲波傳感器控制電路Fig.5 Control circuit of ultrasonic sensors

3.4 CAN總線通訊電路

AGV避障模塊引入了CAN總線技術，能夠將預警狀態和測距數據上傳到總控制器，實現分布式控制。CAN總線通信電路主要由CAN通信控制器MCP2515、CAN總線收發器PCA82C251及相應的復位、時鐘電路組成[8]，如圖6所示。避障模塊控制器通過SPI接口將預警狀態和測距數據發送到CAN總線控制器MCP2515，由MCP2515轉換成異步信號輸送到CAN總線收發器PCA82C251，并最終發送到CAN總線上。

4 AGV避障模塊軟件設計

避障模塊所應用的AGV平臺基于CAN總線構建其車載分布式控制系統，控制系統的CAN應用層協議采用問答模式，即CAN通訊網絡的某個節點主動發起的數據幀傳輸（詢問幀），必須得到數據幀接收節點的應答（應答幀），否則將進行重發。問答模式提高了控制系統運行的可靠性。

圖6 CAN總線通訊電路Fig.6 Communicate circuit of CAN-BUS

AGV運行時，當障礙物進入預警范圍，避障模塊播放語音提示，并通過CAN總線向控制系統總控制器發送預警消息?？刂葡到y總控制器接收到預警消息后，向避障模塊發送應答幀，并控制電機減速或停車。此外，控制系統總控制器能夠向避障模塊發送詢問幀，控制其關閉或開啟避障檢測和語音提示功能，因此AGV在運行時，避障模塊通過CAN總線發送的消息有兩類：主動發起的詢問幀和對其他節點發來的詢問幀的應答幀；通過CAN總線接收的消息也為兩類：其他節點發來的應答幀和詢問幀。

該避障模塊的軟件基于鏈表創建了兩個CAN消息隊列[9]：CAN發送隊列和CAN待應答隊列。發送詢問幀時，創建發送結點，掛接到CAN發送隊列中，并同時創建對應的待應答結點，兩者通過指針成員相互綁定。發送應答幀時，創建發送結點并掛接到CAN發送隊列，此時不需要創建待應答結點。如圖7所示，主函數輪詢CAN發送隊列是否為空，若不為空，取出發送結點并執行CAN數據幀的發送。如果發送結點為詢問幀，執行發送后，將綁定的待應答結點掛接到CAN待應答隊列，等待數據幀接收節點的應答。軟件使用定時器作為系統時鐘，在定時器中斷函數中對CAN待應答隊列中每個待應答結點的等待時間進行計時。若某個待應答結點等待超時，移出待應答隊列并將綁定的發送結點重新掛接到CAN發送隊列，執行重發。在多次重發都沒有得到應答時，刪除該待應答結點和綁定的發送結點。若某個詢問幀等待應答超時前接收到應答幀，表示該次CAN詢問幀傳輸成功，并且在CAN數據幀接收處理函數中刪除相應的待應答結點和綁定的發送結點。

圖7 主函數和定時器中斷函數流程圖Fig.7 Flow chart of the main function and timer interrupt function

如圖8所示，CAN數據幀接收處理函數也對避障模塊接收到的其他CAN節點發送的詢問幀進行解釋，執行相應操作，并創建應答幀掛接到CAN發送隊列。軟件使用SCI中斷函數輪詢4個超聲波傳感器的檢測數據，并在完成一次輪詢后對檢測數據進行融合，根據數據融合處理的結果判斷障礙物是否進入預警距離。當障礙物進入預警距離，對預警消息創建發送結點和待應答結點，并將發送結點掛接到CAN發送隊列，同時播放語音提示。

5 實驗應用

將所設計的避障模塊安裝到實驗AGV上，使AGV上電運行，并在運行中進行障礙物檢測測試。在測試時，使用車載觸摸屏的狀態顯示界面能夠讀取、顯示超聲波傳感器檢測數據和避障預警信息。當在AGV前進路徑上放置障礙物時，避障模塊能夠準確檢測到障礙物距離，當障礙物進入預警范圍時，及時向總控制器上報預警信息。通過實際應用發現，該避障模塊測距結果準確，工作穩定可靠。

6 結 論

圖8 CAN數據幀接收處理函數和SCI中斷函數流程圖Fig.8 Flow chart of CAN data frame handling function and SCI interrupt function

該避障模塊采用超聲波傳感器為探測器，通過實驗測量，結合Matlab處理得到傳感器檢測波束角，最終確定超聲波傳感器在AGV上布局方式。以AVR單片機為控制核心，融入語音提示功能和CAN總線技術，對避障模塊的硬件和軟件進行開發，能夠將預警狀態和檢測數據上傳到AGV總控制器，實現分布式控制。實驗應用表明，該模塊具有運行穩定、工作可靠等特點，達到了設計要求。該模塊已應用到實驗AGV上，檢障效果良好，運行穩定，可靠性高，能夠確保AGV的安全工作，達到了設計要求。

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