基于環(huán)形紅外陣列的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)

徐 勝，邢 強(qiáng)，王 浩

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210026）

如今，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速。機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)行業(yè)，朝著高度智能化的方向發(fā)展。具有跟隨功能的移動(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)捕捉移動(dòng)目標(biāo)物，并且能夠?qū)崟r(shí)追蹤目標(biāo)物的機(jī)器人［1-5］。其中快速獲取移動(dòng)目標(biāo)物的空間位置是關(guān)鍵［6-11］。

許多學(xué)者對智能跟隨移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了研究。包加桐等［12］將里程計(jì)與視覺相機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了具有自主定位和導(dǎo)航功能的跟隨機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的跟蹤。Srinivasa等［13］利用視覺相機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了在不規(guī)則室內(nèi)環(huán)境中對目標(biāo)的精確識別和定位。目前，在很多復(fù)雜環(huán)境中可以通過視覺定位準(zhǔn)確識別目標(biāo)，但是在圖像處理時(shí)須用處理器將采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，這對微型控制器的處理速度提出了較高的要求。此外，謝德勝等［14］將GPS（global positioning system，全球定位系統(tǒng)）與RTK（realtime kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）技術(shù)融合，設(shè)計(jì)了軌跡跟隨機(jī)器人。杜華臻等［15］將激光雷達(dá)作為環(huán)境感知傳感器，來捕捉人腿的圓弧形特征，實(shí)現(xiàn)了對人體目標(biāo)的跟隨。上述研究主要依靠相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等來感知環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位和跟隨。然而，將這些硬件設(shè)備應(yīng)用到智能車的成本十分高昂，這對智能車的普及帶來了阻礙。因此，研究低成本的傳感器方案并將其運(yùn)用于智能車的跟隨勢在必行。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于測距羅盤的移動(dòng)機(jī)器人的目標(biāo)跟隨系統(tǒng)。借鑒于復(fù)眼昆蟲具有接近360°的視角，設(shè)計(jì)了一種具有環(huán)形大視場的測距傳感器。利用單個(gè)紅外傳感器體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)來模擬昆蟲小眼，對目標(biāo)進(jìn)行快速的距離測量和角度測量，以快速判斷目標(biāo)的位置，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)定位。并依據(jù)目標(biāo)的位置信息利用PD（proportion-differentiation，比例-微分）控制器控制跟隨機(jī)器人的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其對移動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。

1 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

針對室內(nèi)空曠環(huán)境，提出一種具有主動(dòng)式環(huán)形大視場的測距羅盤作為環(huán)境感知傳感器。通過該測距羅盤對移動(dòng)機(jī)器人周圍的未知環(huán)境進(jìn)行探測；其主控芯片將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，準(zhǔn)確地計(jì)算出其與目標(biāo)物之間的相對距離和相對角度，并運(yùn)用PD算法將此空間位置關(guān)系與預(yù)設(shè)位置關(guān)系進(jìn)行比較，通過控制跟隨車輛的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，使得機(jī)器人與目標(biāo)物保持在預(yù)定范圍；通過無線串口將測距羅盤采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析。移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of automatic following system of mobile robot

2 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于分布式傳感器陣列的大視場測距模塊

大視場測距模塊采用具有較強(qiáng)抗干擾能力的GP2Y0A21紅外測距傳感器。其有效探測距離為10～80 cm，主要由發(fā)射電路、接收電路和檢測電路三部分構(gòu)成。檢測電路用來將從障礙物反射回來的光的強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，從而實(shí)現(xiàn)對傳感器與遮擋物體之間距離的測量［16-17］。為了實(shí)現(xiàn)接近360°的無死角視野，采用16個(gè)測距傳感器組成周向陣列。為了最大限度地降低傳感器之間的相互干擾，將16個(gè)同構(gòu)傳感器分為4組，每組4個(gè)，各標(biāo)記為1，2，3，4，周向均勻間隔排列在測距羅盤上，構(gòu)成了基于傳感器陣列的測距模塊，如圖2所示。測量時(shí)，序號相同的4個(gè)傳感器在同一時(shí)刻工作，并設(shè)置序號不同的傳感器延遲一定時(shí)間測量，避免各組不同序號的傳感器相互干擾。這樣的設(shè)計(jì)可以使各傳感器在互不干擾的條件下完成對周圍環(huán)境的檢測。

圖2 基于傳感器陣列的測距模塊Fig.2 Ranging module based on sensor array

2.2 紅外測量和采集模塊

紅外測量和采集模塊使用4組模擬開關(guān)對單片機(jī)上的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行拓展，使得單片機(jī)4路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道拓展為16路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。每組紅外測量電路包含一個(gè)收發(fā)一體式紅外測量探頭、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路和濾波放大電路，且4組紅外測量電路共享STM32控制內(nèi)核和nRF24L01無線通信模塊。nRF24L01無線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)一對一、一對多、多對多設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。利用它可組成星形、樹形和蜂窩形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與上位機(jī)組成分布式測量控制系統(tǒng)。上位機(jī)用來接收和保存所測數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。

移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)以STM32為控制核心，4組紅外測距回路并行執(zhí)行。STM32同時(shí)選中4組電路的同一通道4052，紅外傳感器發(fā)射的紅外波遇到障礙物后返回，經(jīng)過各自的4052通道進(jìn)入放大濾波電路，然后進(jìn)入STM32的ADC（analog-to-digital converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）通道，數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)過計(jì)算得出距障礙物的距離，并同時(shí)保存?zhèn)鞲衅魉诘耐罚纯色@得障礙物的方位。上述過程進(jìn)行4次，即可完成16個(gè)傳感器的測距工作，獲得跟隨機(jī)器人與移動(dòng)目標(biāo)物之間的距離ρ和角度φ。

紅外測量和采集模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 紅外測量和采集模塊設(shè)計(jì)示意Fig.3 Schematic of infrared measurement and acquisition module design

3 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 測距傳感器標(biāo)定

GP2Y0A21紅外測距傳感器能夠根據(jù)物體的距離輸出模擬電壓。距離越遠(yuǎn)，其輸出的模擬電壓值越小，且電壓值與距離之間存在非線性關(guān)系。因此，須對測距傳感器的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。

在傳感器10～80 cm的量程范圍內(nèi)，每隔5 cm取一個(gè)測量點(diǎn)，并在每一個(gè)測量點(diǎn)記錄其實(shí)際距離和傳感器輸出的模擬電壓值。為了減小在測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，進(jìn)行10次測量，取測量的平均值，并將數(shù)據(jù)全部輸入MATLAB軟件。利用冪擬合的方法對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示。擬合結(jié)果表明，擬合的確定系數(shù)為0.999 3，殘差平方和為0.002 3，可見擬合效果較好。

圖4 實(shí)測距離與電壓值的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of measured distance and voltage value

該擬合曲線的表達(dá)式為：

式中：U（ρ）為紅外測距傳感器輸出的模擬電壓值。

3.2 定位模型

定位模型表示在跟隨機(jī)器人與移動(dòng)目標(biāo)物處于同一水平高度的條件下，移動(dòng)目標(biāo)物在測距羅盤坐標(biāo)系下的位置，如圖5所示。第i個(gè)測距傳感器檢測到的數(shù)據(jù)為（ρi，φi）（i=1，2，…，16）。當(dāng)跟隨機(jī)器人的周圍存在目標(biāo)物時(shí)，其對應(yīng)方向上傳感器檢測到的距離信號值會小于其他傳感器檢測到的值。因此，在t時(shí)刻取最小信號值作為跟隨機(jī)器人對目標(biāo)物的定位結(jié)果（ρt，φt），即：

圖5 定位模型示意Fig.5 Schematic of positioning model

利用定位結(jié)果（ρt，φt）對車體兩側(cè)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，最終使跟隨機(jī)器人與移動(dòng)目標(biāo)物保持設(shè)定的距離ρw和偏航角φw。

3.3 跟隨機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型

如圖5所示，假設(shè)兩輪差速驅(qū)動(dòng)跟隨機(jī)器人的質(zhì)心c位于跟隨機(jī)器人幾何中心位置，則機(jī)器人的質(zhì)心坐標(biāo)為（xc，yc），機(jī)器人的姿態(tài)向量P=（xc，yc，θ），其中θ為方向角。

根據(jù)剛體力學(xué)可得跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

式中：v為跟隨機(jī)器人的線速度；ω為跟隨機(jī)器人的角速度；v1和vr分別為跟隨機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪的線速度；l為跟隨機(jī)器人兩驅(qū)動(dòng)輪的輪距。

跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)滿足如下約束：

則式（5）可改寫為：

將式（4）離散化，可得：

式中：T為采樣周期。

3.4 跟隨機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)對跟隨機(jī)器人的快速控制，同時(shí)考慮場景控制所需的較強(qiáng)實(shí)時(shí)性，選擇適應(yīng)性強(qiáng)、控制簡單的PD控制律。跟隨機(jī)器人的PD控制原理如圖6所示。

圖6 跟隨機(jī)器人PD控制原理示意Fig.6 Schematic of PD control principle of following robot

式中：kp為比例系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

以一階后向差分近似代替微分，則PD控制律的離散化方程為：

3.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集程序主要在LabVIEW軟件中編寫完成。利用串口技術(shù)［18-21］實(shí)現(xiàn)對測距羅盤數(shù)據(jù)和隨動(dòng)機(jī)器人路徑的可視化采集。下位機(jī)接收到測距羅盤的數(shù)據(jù)后，會將實(shí)時(shí)距離信號編碼成帶有校驗(yàn)碼的字符串傳送回上位機(jī)；用于定位跟隨機(jī)器人的室內(nèi)定位系統(tǒng)［15］將實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人的二維坐標(biāo)，并通過串口上傳至上位機(jī)。上位機(jī)循環(huán)接收上述傳感器信號，在其操作界面可以顯示在極坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)系下測距羅盤數(shù)據(jù)和機(jī)器人跟隨路徑，如圖7所示。

圖7 測距羅盤數(shù)據(jù)和機(jī)器人跟隨路徑的顯示界面Fig.7 Display interface of ranging compass data and robot following path

4 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨實(shí)驗(yàn)

跟隨機(jī)器人如圖8所示。其采用差速輪，差速電機(jī)選用MG513BP30直流減速電機(jī)，電機(jī)額定功率為7 W，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)500 r/min。該型號電機(jī)自帶高精度AB雙相光電編碼器，尾部500線AB雙相輸出；減速比為1∶30的電機(jī)減速器的輸出軸旋轉(zhuǎn)1周，可以輸出15 000個(gè)完整脈沖。下位機(jī)中，選用基于ARM32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，協(xié)調(diào)和控制各個(gè)模塊的工作。下位機(jī)的主要任務(wù)是采集測距羅盤的模擬信號并將它轉(zhuǎn)換為距離信號以控制跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過無線串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)中，通過LabVIEW軟件進(jìn)行可視化分析。

圖8 跟隨機(jī)器人Fig.8 Following robot

為觀察搭載測距羅盤的跟隨機(jī)器人在小范圍無障礙環(huán)境中的自動(dòng)跟隨效果，進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨實(shí)驗(yàn)。

先將目標(biāo)物放置于跟隨機(jī)器人前方某處不動(dòng)，引入全局平面坐標(biāo)系，用于描述機(jī)器人跟隨運(yùn)動(dòng)的軌跡。在初始時(shí)刻，全局平面坐標(biāo)系與測距羅盤初始坐標(biāo)系重合。設(shè)定相關(guān)參數(shù)：ρw=0.2 m，φw=0 rad，l=0.4 m，跟隨機(jī)器人最大速度vmax=0.5 m/s。實(shí)驗(yàn)在平地上進(jìn)行，因此不考慮跟隨機(jī)器人和目標(biāo)物在垂直方向的位置變化。啟動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)跟隨系統(tǒng)，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程中測距羅盤的數(shù)據(jù)和跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。

讓目標(biāo)物以恒定線速度v=0.4 m/s進(jìn)行“8”字形運(yùn)動(dòng)和方形運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨效果如圖9所示。由圖可知，機(jī)器人跟隨軌跡連續(xù)，在跟隨過程中未出現(xiàn)跟丟目標(biāo)物的情況。說明跟隨機(jī)器人能夠執(zhí)行預(yù)期動(dòng)作，準(zhǔn)確跟隨目標(biāo)物，跟蹤效果穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了測距羅盤和自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的有效性和可靠性。

圖9 移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨效果Fig.9 Automatic following effect of following robot

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于環(huán)形紅外陣列的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)跟隨系統(tǒng)。受復(fù)眼昆蟲具有無死角視野的啟發(fā)，利用具有主動(dòng)式環(huán)形大視場的測距羅盤作為環(huán)境感知傳感器。測距羅盤由數(shù)個(gè)紅外測距傳感器組成周向陣列。對紅外傳感器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，使測距羅盤可以準(zhǔn)確、快速地確定其與移動(dòng)目標(biāo)物之間的距離和偏航角。依據(jù)目標(biāo)物的位置信息并利用PD控制器控制跟隨機(jī)器人的移動(dòng)，使跟隨機(jī)器人保持與移動(dòng)目標(biāo)物的相對距離和相對角度，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的自動(dòng)跟隨。在上位機(jī)操作界面可以實(shí)時(shí)顯示跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡及其對周圍未知環(huán)境的探測情況，方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察與分析。進(jìn)行了跟隨機(jī)器人“8”字形和方形兩種軌跡的跟隨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人跟隨軌跡連續(xù)，在跟隨過程中未出現(xiàn)跟丟目標(biāo)物的情況，跟蹤效果穩(wěn)定，證實(shí)了測距羅盤和自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的有效性和可靠性。后續(xù)可以通過提高周向陣列傳感器的密度來實(shí)現(xiàn)更高分辨率的環(huán)境探測，使移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用更為廣泛。