不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統(tǒng)研究

侯擇堯，祁宇明，周鴻超，周旺發(fā)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司，天津 300350）

0　引言

AGV能實現(xiàn)對位置的精確控制和對軌跡的跟蹤，輔以智能控制等相關(guān)設計會對生產(chǎn)帶來極大的幫助。目前AGV避障可采用超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和視覺傳感器等。使用紅外傳感器的三角測距方法雖然成本低，但避障效果不可靠，對于黑色物體就無法有效躲避；使用激光傳感器對于玻璃等透明物體的探測還是受限于光束的物理特性，無法全部有效探測；使用視覺傳感器成本比較高，現(xiàn)階段技術(shù)還不完善，存在探測盲區(qū)的問題，使用超聲波傳感器能克服以上不足，但要排除不同溫濕度的影響[1]。

本文對不同溫濕度條件下AGV超聲波避障系統(tǒng)的性能進行了研究，運用Arduino單片機[2]，通過建立數(shù)學模型，在溫濕度不同時，測得與障礙物之間的距離，經(jīng)過大量的試驗，在溫濕度不同時測得的距離差異并無太大的不同，對AGV避障預警具有重要意義[3]。

1　設計原理

1.1　AGV避障系統(tǒng)的組成

本文研究的AGV避障系統(tǒng)一共由5部分構(gòu)成。第1部分是由Arduino單片機的控制板和Arduino單片機的外層電路構(gòu)成；第2部分是由超聲波發(fā)射和接收器構(gòu)成；第3部分是由檢測溫濕度的傳感器構(gòu)成；第4部分是由能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)的器件構(gòu)成；最后一部分是由具有在突發(fā)意外情況下報警的警報裝置構(gòu)成，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。超聲波測距裝置與障礙物之間的距離是通過超聲波發(fā)出的時間與收到超聲波的反射時間之差來確定的，同時配備一塊1 602液晶顯示屏，記錄實驗數(shù)據(jù)，方便實驗者觀察。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2　超聲波測距原理

在此次實驗中，超聲波測距的運用的超聲波形式為脈沖反射式。超聲波測距的過程是首先向一個預定的方位發(fā)射，在發(fā)射的同一時刻需要記錄下時間，在發(fā)射出去進行傳播的過程中如果傳播的前方存在阻礙，便會被反射回來即沿著反射的方向傳播，之后便會被接收裝置探測到，同時記錄下接收到的時刻，經(jīng)過一定的計算便可得知傳播的距離，這便是超聲波測距的原理。根據(jù)不同溫度和濕度對超聲波在空氣中傳播速度的影響，折算出溫濕度系數(shù)k，測得超聲波裝置與障礙物之間距離的不同數(shù)值，去判斷溫濕度不同時對AGV避障報警的影響，通過計時器記錄的時間，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。

超聲波傳播速度為：

溫濕度系數(shù)k為：

發(fā)射點距障礙物的距離S為：

式中：t0=（T2-T1）/2，t0是超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔的一半，T1是超聲波發(fā)射的時刻，T2是超聲波接收的時刻，t為攝氏溫度，Pw是空氣中水蒸氣的分壓強，P是大氣壓強，△t是超聲波從發(fā)射到接受的時間間隔，S是發(fā)射點距障礙物的距離，V是超聲波在空氣中的傳播速度。

2　硬件設計

2.1　Arduino控制板

本實驗需要12路數(shù)字信號輸入輸出接口，Arduino Mega2560單片機能夠滿足本實驗要求[4]，其核心電路板是ATmega2560.

2.2　超聲波模塊

本實驗用的超聲波模塊為HC-SR04，其需要通過IO觸發(fā)來達到測量距離的目的。當給它一個10 us的高電平信號之后，它便會產(chǎn)生8個40 kHz的方波，如果接收不到返回的信號，便不會輸出高電平，反之相反，其整個過程所需要的時間和超聲波由發(fā)射傳播到接收的時間長短相等。

2.3　液晶顯示模塊

本實驗采用的顯示器型號為LCD1602，采用它的好處優(yōu)勢很多很明顯，譬如屏幕顯示信息清晰、本身體積小占用空間少、耗能少節(jié)約能源等。

2.4　實驗電路連接

各個模塊與Arduino板連接的電路圖如圖2所示，實物連接圖如圖3所示。

圖2　電路連接圖

圖3　實物連接圖

3　上位機編程

在本實驗中，其流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化完成之后超聲波傳感裝置產(chǎn)生脈沖信號，信號開始傳播，在信號傳播的過程中若遇到障礙，便會發(fā)生反射，會沿著反射的方向進行傳播，經(jīng)過一定的時間，信號便會被接收裝置接收，由發(fā)射到接收的時間信息會被送到Arduino控制板上，計算得到其傳播的距離，其距離的數(shù)值會在液晶屏上顯示出。環(huán)境溫度的信息也會送至Arduino控制板上處理后顯示出來[5-6]。

圖4　實驗流程圖

超聲波測距子程序如下：

void loop（）

//產(chǎn)生一個10us的高脈沖去觸發(fā)TrigPin 3333333333333333

digitalWrite（TrigPin1，HIGH）；

delayMicroseconds（10）；

digitalWrite（TrigPin1，LOW）；

distance[0]=pulseIn（EchoPin1，HIGH）/58；delay（60）；//延時 60ms

4　實驗結(jié)果

本文將各個模塊和相關(guān)線路、實驗板與Arduino控制板結(jié)合起來可視為AGV本體，其超聲波模塊及其相關(guān)控制部分作為AGV避障系統(tǒng)，使用一個5 cm×5 cm固體小盒作為障礙物，保證超聲波裝置與障礙物之間的距離固定為2 m，在溫度在20℃～45℃，濕度45%～70%之間（即溫度和濕度均屬于常規(guī)范圍內(nèi)）進行實驗。實驗是在一個封閉的實驗室內(nèi)進行經(jīng)過測試，采用空調(diào)控制溫度，采用加濕器提高濕度，去濕機降低室內(nèi)濕度，并采用溫濕度計實時監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度并及時調(diào)控，經(jīng)過實驗，得到了不同溫濕度下AGV與障礙物之間距離值[7]。實驗條件和結(jié)果如表1所示。

表1　不同溫濕度下AGV與障礙物之間的固定距離

按照溫度和濕度對應的情況，測得上表兩組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均是由五次測量取的平均值，由第一組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當溫度為20℃、濕度為45%時AGV與障礙物之間的固定距離為40.15 cm，溫度為45℃、濕度為70%時AGV與障礙物之間的固定距離為40.09 cm，距離相差很小，在實際應用中這種差值可以忽略，而且從最小溫濕度到最大溫濕度，AGV與障礙物之間的固定距離沒有連續(xù)變化的規(guī)律，而是隨機的。在不同時間下測得另一組數(shù)據(jù)顯示的規(guī)律與第一組數(shù)據(jù)一致，而且這兩組數(shù)據(jù)結(jié)果差值很小，在實際應用中也可以忽略。以上數(shù)據(jù)證明在不同溫濕度時測得的距離差異不大，對AGV避障基本無影響。

5　結(jié)束語

本文基于不同溫濕度條件下AGV避障系統(tǒng)研究，通過測試在常規(guī)溫濕度不同時AGV與障礙物之間的固定距離的差異，經(jīng)過大量的試驗，表明在溫濕度不同時測得的距離差異并無太大的不同，對AGV在不同溫濕度情況下避障預警具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳 雷.點評多國儀器展中的傳感器[J].國外電子測量技術(shù)，2012（2）：19-23.

[2]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.

[3]劉楚紅，董 鎮(zhèn)，錢宇捷，等.基于Arduino的倒車雷達系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（17）：148-150，153.

[4]夏路易.智能儀表設計與接口技術(shù)[M].太原：太原理工大學出版社，2009.

[5]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京：北京航天航空出版社，2014：5-6.

[6]Arduino Software Release Notes.Arduino Project[Z].2011.

[7]溫 和，王 水，滕召勝，等.噪聲影響下的高準確度介損角測量方法研究[J].儀器儀表學報，2013，34（4）：780-785.