多傳感器移動機器人U 型區域循跡避障技術研究

雷道仲 蔡 瓊

（湖南信息職業技術學院，湖南 長沙410200）

移動機器人的避障問題一直是大家關注的熱點問題之一，不少專家學者通過自己潛心的研究，得出了一些關于移動機器人的避障策略或算法；形成了相應的研究成果，為移動機器人的發展與應用起到極大的推動作用。然而，在現實生活中，很多特殊功能的機器人需要進入狹窄不規則的區域進行作業，如U型、L 型區域等，進入這些特殊的區域，如果避障策略不當，往往機器人會被“卡死”，需要人為干預才能駛離該區域。針對這一現象，筆者將基于以上理論研究成果的基礎上，對移動機器人進入U 型區域的避障策略展開研究，設計出了U 型區域移動機器人循跡避障策略的硬件平臺和避障策略控制軟件，算法和硬件設計方案。為進入U 型區域的移動機器人的避障提供科學的設計方案和應對策略。

1 系統硬件設計

1.1 系統組成

針對U 型區域的特殊性，本系統采用多傳感器協同循跡避障，系統硬件電路的設計方案如圖1 所示，整個系統由超聲波傳感器、紅外光電傳感器、循跡QTI 傳感器、電源、電機控制系統等幾部分構成。

圖1 系統硬件電路構成框圖

1.2 紅外線收發對管

紅外線發射器：紅外線發射管在LED 封裝行業中主要有三個常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根據波長的特性運用的產品也有很大的差異，850NM波長的主要用于紅外線監控設備，875NM 主要用于醫療設備，940NM 波段的主要用于紅外線控制設備。如：紅外線遙控器、光電開關、光電計數設備等。

紅外線對管應用：本文中，移動機器人的尋跡功能采用紅外線收、發對管和QTI 循跡共同實現，QTI 巡線傳感器用于對固定路線巡線工作，而紅外線收、發對管則用于自主巡線功能，具體工作過程如下：兩對紅外線收、發對管安裝在多傳感器移動機器人底盤正前方，紅外發射管一直發射信號，接收管時刻準備接收信號。兩對對著前方的紅外管發射紅外信號，當前方無遮擋物時，就無信號返回，C51 單片機檢測到無信號，移動機器人就會視為前方無障礙，會繼續前進；當紅外發射管發射的紅外線遇到前方的遮擋物時，信號會被反射回來被接收管所接收，C51 單片機會根據接收管反饋回來的信號做出相應的處理，如：后退、左轉彎或右轉彎等，要視兩個接收對管反饋的具體情況而進行相應的動作。

1.3 工作原理

移動機器人U 型區域的循跡避障是由幾種傳感器協同作用共同完成。具體過程如下：機器人開啟電源，如果機器人底盤下的QTI 巡線傳感器全部返回給單片機的是低電平，則說明移動機器人不是沿著固定的黑色路線循跡，而是需要采用紅外光電管自主循跡避障，此時，系統會將機器人底部尋跡傳感器關閉掉，同時啟動紅外光電傳感器，前面、左右兩側同時啟用，當移動機器人進入如圖1.2 所示的A 區域時，機器人暢通，左右、前面光電管傳感器返回給單片機的均是低電平，機器人可以繼續向前行走。當進入B 區域時，前面與左邊紅外光電傳感器都檢測到高電平時，說明機器人已經到達U 型區域狹窄的端口位置，這時就需要啟動前面、左邊超聲波傳感器了，超聲波傳感器通過超聲波測量左邊墻壁與機器人的左邊的距離，超聲波測距原理如下，超聲波啟動時，單片機定時器啟動計數，當超聲波遇到障礙物時返回來，單片機將定時器的時間數據除以2，便是單程超聲波傳播的時間，然后乘上超聲波在空氣中傳播的速度，即便得到避障距離。拿測量到的距離與機器人需要調頭的距離進行比較，再決定移動機器人是否還要后退到可以進行調頭的位置，如此反復，便完成U 型區域避障與循跡的功能，移動機器人才不會“卡死”在U 型區域。式（1）是超聲波測距公式，因超聲波在常溫下的空氣介質中傳播的速度大約為344m/s。

其中：S 為測量距離，Time

圖2 移動機器人駛入U 型區域示意圖

2 系統軟件設計

2.1 流程圖

根據上述硬件系統，設計出了如圖3 所示的移動機器人U型區域循跡避障系統主程序系統框圖。

圖3 主程序流程圖

2.2 超聲波測距控制

超聲波是一種遠高于人的聽覺范圍的聲波，它具有頻率高、在空氣中傳播快等特點。超聲波傳感器正是利用超聲波的這種特性研制而成的傳感器, 它通過傳送一個超聲波以及超聲波碰撞到前方物體發出爆裂回聲后返回到傳感器所需時間的輸出脈沖來計算距離的（測距的）。如圖4 所示為超聲波傳感器工作時序圖，首先，在C51 單片機發送的10us 觸發脈沖的控制下，超聲波傳感器循環發出8 個40 kHz 的（超聲波）爆裂聲，此爆裂聲在空氣中以約1130 英尺每秒的速度傳播，當碰到物體時便反射回到傳感器，此時傳感器會產生一個回響輸出脈沖，向C51單片機表示回波被探測，這個脈沖寬度就是對應于爆裂回聲返回到傳感器所需時間，這個回響電平的輸出與檢測距離成正比。本文應用HC-SR04 位差超聲波距離傳感器作為移動機器人運動的雙眼（測距范圍是：2CM-450CM），C51 單片機作為移動機器人的大腦，隨時判斷和監控前方障礙物的距離。

圖4 超聲波傳感器工作時序圖

2.3 超聲波啟動時序控制代碼：

3 結論

根據實際測試結果，移動機器人在紅外、超聲波傳感器的協同作用下，能夠在U 型區域很快完成避障、調頭的功能。這一結果的實現，為移動機器人在其它特殊區域的循跡與避障工作提供思路。