清污機器人智能避障控制設計探討

撰文/石宇軒

■256603 山東省濱州市北鎮中學 山東 濱州

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清污機器人智能避障控制設計探討

撰文/石宇軒

■256603 山東省濱州市北鎮中學 山東 濱州

智能清污機器人可代替人力自動進行復雜水域環境清污作業，為避免機器人在水下運行出現問題，必須要加強機器人智能避障控制設計。本文通過有效控制設計，實現了機器人對障礙的智能避讓。關鍵詞：水下清污；清污機器人；智能避障控制

隨著現代信息和科學技術的飛躍發展，機器人在社會經濟、生活各領域的應用越來越廣泛。以前的水下清污機器人，由于智能化水平不高，大多都需要人力進行拖動行走，或者由人工在岸上根據機器人運動情況進行實時操控。本文所研究的清污機器人，是一種能在水下自動行走并進行清潔工作的機器人，可以有效代替人力在復雜水域進行水下清污作業。這種清污機器人具有智能化水平高、控制靈活、工作效率高、成本低等優點，可充分滿足新時期水域清污和水域環境養護工作的需求。清污機器人在水下作業過程中，可能會遇到立柱、墻壁、樹干等障礙物，如何提高清潔機器人智能避障控制設計水平，保證機器人在水下行走中不會出現碰撞、堵死或卡死等情況，是當前清潔機器人研究的重點和難點。本文主要針對水下清污機器人智能避障控制設計問題進行探討。

水下清污機器人智能避障控制設計

a障礙檢測

運動物體的障礙檢測主要分為接觸檢測和非接觸檢測兩種，前者可細分為微動開關檢測、壓力傳感器檢測和加速度檢測等幾種；后者可細分為紅外檢測、循跡檢測、超聲波檢測和接近開關檢測等幾種。接觸式檢測的原理是機器人在接觸到障礙物后，通過與障礙物產生互相作用力，并將這種作用力轉換為電信號，從而完成障礙檢測。接觸式檢測一般都直接安裝在機器人主體并浸泡于水中，檢測精度良好，只要遇到障礙物，機器人就會緊急制動，其缺點是會因較大的慣性而導致機器人與障礙物發生碰撞，影響機器人結構、性能穩定，降低機器人的使用壽命。非接觸式的檢測方法是通過傳感器來檢測障礙物，機器人不需要與障礙物進行直接接觸，其缺點是不太適宜安裝在水下。如果安裝在水下，不僅檢測精度會下降，而且投入成本也將較大。故可將其安裝于水面之上，使其保持與機器人同步運行。在非接觸式檢測方法中，超聲波檢測效果最好，不需要考慮光照影響，也不需要在水下布設循跡識別物，更不需要非常接近障礙物等，就能比較準確地測量出障礙物與機器人的距離，同時，根據需要控制指令自動設定避障方案。

b控制電路

在利用超聲波進行障礙檢測的過程中，采用HC-SR04超聲檢測模塊。主控電路為51系列單片機，通過MAX232芯片進行信號調制，然后將信號輸送到超聲波發生頭，形成超聲信號，利用PNP三極管控制超聲信號的電源通斷，同時，利用74系列的芯片對接收信號進行調制處理，之后，將其輸送給單片機讀取和運算，最后，計算結果將反饋到J1端口，從而實現與外部設備通訊。模塊示意圖見圖1所示。模塊控制通過IO觸發方式實現，利用單片機的IO口將TRIG引腳拉低，在此基礎上，單片機給出一個10sμ 以上的脈沖信號，模塊便發送8個40kHz的超聲方波信號，并自動檢測是否有信號返回。如果檢測到有信號返回，系統就通過IO輸出一高電平，高電平持續的時間為超聲波發射到返回所用的時間。測試距離可表示如下：

其中，s表示測試距離，m、v表示聲音的速度，m/s表示高電平時間。

圖1　超聲檢測模塊

在實際應用過程中，可以根據測量到的障礙距離和機器人的運行速度，來控制機器人減速、拐彎避讓或停止運行的時間。

c應用程序設計

控制程序依據超聲波模塊觸發和信號讀取要求，通過單片機與其實現通訊，同時，對機器人與障礙物的距離進行測量，控制機器人的下一步運動狀態。具體流程見圖2所示。首先，對端口和功能寄存器進行定義，向超聲波模塊發送20sμ 的觸發信號，并等待檢測反饋信號。設置定時器參數，以單片機的定時器中斷來作為計時基準，從而實現測量信號反饋時間的計時統計。完成計時之后，將測試數據代入公式（1），就可以計算障礙距離，控制機器人避障運動。

圖2　控制程序流程

結語

清污機器人的障礙檢測和智能避讓，能有效提高機器人的工作效率和使用壽命，在運動速度適宜的情況下，利用水面隨動超聲波檢測，可以較好地實現水下清污機器人智能避障控制。

參考：

［1］王曉芳.智能機器人的現狀、應用及其發展趨勢［J］.科技視界，2015，33：98-99.

［2］梁辰滔，閆娟，張浩，陳榮華，何濤.環保型復合式避障清潔機器人的設計［J］.機械工程師，2015，10：193-194.