基于超聲測距的工業機器人避障控制系統設計

李 強

(西安航空職業技術學院 質量管理中心，西安 710089)

0 引言

超聲波測距裝置是一種性能比較好的測距裝置，它不會受到外界的干擾，測距精度高，方向性強，技術上已趨于成熟。超聲波傳感器更多地應用在工業機器人避障控制系統中，成為了機械裝備的必要輔助裝置。

近年來，國內外有大量的研究人員對超聲波傳感器的工業機器人避障控制系統進行研究，將該技術應用在更廣泛的領域，同時也使得該技術具有更好的精準性和穩定性[1-2]。

目前已有相關領域研究學者對業機器人避障控制系統做出了研究。文獻[3]提出基于最優交互避撞算法的機器人避障系統。在自動避撞過程中，利用最優的交互式避撞方法，將位置空間轉化為速度空間，以避免碰撞但是這種方式精度過低。文獻[4]提出在硬件裝置中安裝大量的傳感器，傳感器覆蓋設備中產生的數據可以同時上傳到網絡基站中，進行故障節點的定位計算，從而達到故障與障礙物識別的效果，但是定位時間過長。文獻[5]提出基于改進的快速擴展隨機樹的工業機器人路徑避障規劃算法。引入了擴展點選取和自適應步長的控制策略，避免算法陷入局部最優解，將該算法與 Dijkstra算法相結合，從而獲得工業機器人避障最優路徑。該方法的避障控制準確率較高，但控制效率較差。

超聲波傳感器可以解決超聲波傳播過程中出現的起振延時問題，充分利用主控芯片對相關信息的控制，檢測傳感器中的相位關系，再對超聲波的發射探頭和接收探頭進行集成處理，經過處理的超聲波攜帶了精準的距離參數，不通過超聲波途徑從通訊電路中直接到達數據顯示終端。

綜上所述，本文基于超聲測距技術設計了一種新的工業機器人避障控制系統。利用3種不同的誤差放大器EA1、EA2、EA3，將回波信號穩頻放大到電路中，利用運算放大器對其進行濾波、放大，提升硬件對障礙物的檢測性能。在此基礎上，基于超聲檢測技術構建模糊數據庫，檢測出機器人與障礙物之間的距離，并對所有的障礙物信息進行定位，提取不同方向的測距信息，實現全面的避障控制，完成工業機器人避障控制系統設計。

1 基于超聲測距的工業機器人避障控制系統硬件設計

工業機器人避障控制系統硬件設計包括單片機數據采集模塊設計、超聲波傳感器設計、回波接收電路設計、帶通濾波器設計、信號檢測電路設計及繼電器設計共6方面，系統硬件整體結構如圖1所示。

圖1 系統硬件整體結構圖

1.1 單片機數據采集模塊設計

通過單片機采集各種數據，利用DTU模塊完成信息轉換，得到的數據傳輸給上位機，利用上位機完成信息轉換，在串口上通過透明傳輸方式完成信息傳輸。使用DTU完成通訊連接，在連接過程中不能申請固定的IP，內部的單片機完成信息傳輸，延長供電時間。由于服務器不能涉及固定的IP，因此需要利用串口完成信息的收發。系統采用自動讀取和查詢讀取兩種模式，通過單片機完成防碰撞操作。

自動讀取模式在單片機內部加入了定時器，固定定時時間，通過單片機完成信息讀取，利用P3.7高低電平實現信息控制，同時對DTU完成供電操作。在RS-485接口中完成信息讀取，這樣可以很好地保證芯片的工作時間，為系統提供更好的電量，完成信息讀取。

查詢讀取模式適合于帶電狀態，通過確定高電平完成信息傳感，實現命令上傳，實現信息數據接收，利用定時器完成接收操作，設置1.5字符，當輸出的信息超過1.5字符后會出現停頓，如果超出停頓時間就會出現新的數據幀，完成信息的采集和上報工作。

1.2 超聲波傳感器設計

超聲波傳感器在工業機器人避障控制系統中不僅要起到超聲波發射的作用，還要控制內部的超聲波發射電路對外進行電壓驅動，避免外部超聲波電路脈沖逆變。本文在設計超聲波傳感器的過程中，首先對單片機的信號發送模塊進行結構分析，將具有脈沖信號的超聲換能器安裝在單片機的操作模塊中，同時還增加MOS功率器件作為超聲換能器的驅動元件[6-7]。本文選用的超聲波傳感器型號為4-20HR-MaxSonar-WR，具有毫米級波長，波長大于5 mm，頻率為100 kHz，檢測范圍可達5 m。

常規情況下的超聲波傳感器中具有一個電荷響應裝置，但是傳統的電荷響應裝置在進行電荷控制的過程中需要有一定的等待時間，而在本文的超聲波傳感器結構設計中，將電壓控制代替電荷控制，應用較大的電壓來帶動電荷，使超聲波傳感器中的脈沖驅動電壓頻率等于超聲波換能器的極限頻率。超聲波傳感器中的驅動模塊裝配結構如圖2所示。

圖2 超聲波傳感器驅動模塊裝配結構圖

如圖2所示，本文設計的驅動模塊中還安裝有兩個MOS管，幫助兩個管路中的脈沖信號可以在傳感器中交替導通。電路中的線圈具有增加傳感器激勵的作用，使傳感器的超聲波信號發送更遠，隨著超聲波傳感器中檢測數字信號的增多，傳感器對外表達信息的能力也隨之增強[8]。

1.3 回波接收電路設計

回波接收電路設計主要體現在可變增益放大器中，本文對電路的設計遵循電阻網絡設計原理，對不同強度下的同一種超聲波信號能夠完成不同增益效果的選取接收，進一步實現精準測距。超聲波傳感器中的回波信號大多都屬于電壓信號，電壓信號經過濾波器后便會成為交流信號，為了合理儲存這種交流信號，本文應用EA1、EA2和EA3三種型號的誤差放大器，分別為TypeⅠ、TypeⅡ、TypeⅢ誤差放大器，TypeⅠ誤差放大器可增加系統的動態響應、TypeⅡ、TypeⅢ誤差放大器可抵消零極點，將回波信號穩定放大到電路中。可變增益電路結構如圖3所示。

圖3 可變增益電路結構圖

觀察圖3可知，回流超聲波在EA1中受到負反饋結構的作用，按照電阻的實際比例傳輸到另外一個輸入端口中，其中R1、R2分別為負反饋的對比電阻。為了增加回流超聲波的穩定性，本文在EA3中輸出端中加設了一個電容C0作為補償，使得回波接收電路成為跨導線性環結構[9-11]。

1.4 帶通濾波器設計

本文設計的帶通濾波器屬于無源濾波器，只需要電感、電容以及電阻即可實現濾波作用。帶通濾波器由多個普通濾波器聯合組成，不使用電源負載就可以完成信號所在的頻率空間內過濾，但是無源濾波器濾波特性相對于有源濾波器較弱，為此本文在部分濾波器中增加安裝了運算放大器和RC網絡電路，在超聲波信號沒有進入到濾波器中進行了初步的特征放大，這種設計結構還可以將無功信號放大，使得無功信號也可以傳輸到高頻環境中，代替超聲波的傳輸，從而避免了超聲波波長較短的缺陷。本文采用LC帶通濾波器，覆蓋頻率在100～2 500 MHz之間，3 dB標準帶寬為5～20%。帶通濾波器結構如圖4所示。

圖4 帶通濾波器結構示意圖

觀察圖4可知，所有電阻和電容在帶通濾波器中均可以改變超聲波傳感器的測距范圍，保證電路中濾波頻率與誤差放大器頻率相同，在此基礎上實現帶通濾波器對超聲波信號的效果增益[12-14]。

1.5 信號檢測電路設計

信號檢測電路的主要功能是執行單片機中的工業機器人避障控制信號，對一些未知的控制信號進行檢測與識別。本文所設計的信號檢測電路將電阻與電路電源直接連接，電阻在電路分支線路中起到分壓的作用，根據電阻的阻值大小以及數量確定電壓的多個等級，本文設計的電壓有0.75 V、1.6 V、2.5 V和3.3 V共4個等級[15]。信號檢測電路結構如圖5所示。

圖5 信號檢測電路結構圖

本文在設計信號檢測電路時，運行過程中的調節設備選用了比較器和觸發器兩個設備，其中0.75 V和1.6 V電壓的運行等級使用比較器調節，2.5 V和3.3 V電壓的運行等級使用觸發器調節[16-18]。比較器與觸發器與電路線路之間的連接點也作為數據的傳輸端口，端口的進入端使用一個電容作為電流的過渡結構，確保檢測電路可以接收更廣范圍的電流信號。

1.6 繼電器設計

繼電器采用SIEMENS，在編程過程中，軟件沒有安裝指令庫，因此難以支持Modbus協議，因此本文在繼電器內部安裝指令庫，控制通訊協議的子程序和中斷程序。在完成安裝后，對系統的協議指令進行調度，從主站設備和從站設備兩個角度出發完成通訊。在變性程序的過程中，利用MBUS-INT完成信息初始化，通過智能儀表發出各種不同的命令。完成參數設置和信息監控，在網絡內部發送主站，接收智能儀表的詢問命令。繼電器電路結構如圖6所示。

圖6 繼電器電路結構圖

本文選用的繼電器具有超級電容，即使失去外部的接地電源也能夠將RAM存儲區的數據存入到存儲器中，完成曲線計算，使系統始終能夠保持帶掉狀態，得到的數據能夠永久的保存在RAM中，提高系統的通用性，在復雜狀態下也能完成移植。即使系統能夠完成內置集成，系統的實時性也能得以增強。

綜上，利用單片機數據采集模塊采集工業機器人障礙物信息，利用超聲波傳感器及回波接收電路設計控制工業機器人智能測算障礙物距離，通過帶通濾波器設計實現避障信息的高效傳輸，通過信號檢測電路設計及繼電器設計提升系統的數據處理及存儲能力。

2 基于超聲測距的工業機器人避障控制系統軟件設計

在上述硬件設計的基礎上，實現對超聲波傳感器應用過程的智能控制。在軟件設計部分，利用超聲測距技術測算工業機器人障礙物距離，對避障信息智能處理，實現基于超聲測距的工業機器人避障控制系統軟件設計。

2.1 基于超聲測距的工業機器人障礙物距離測算

超聲波傳感器在整個工業機器人避障控制系統中以成組的方式存在，可以在不同的方向共同對外發出超聲波信號，再接收到反饋信號并實時處理，測算出精準的距離參數。利用超聲波傳感器采集工業機器人障礙物坐標點，假設其中一個超聲波傳感器的對外感應距離為2L，那么可以初步確定障礙物與超聲波信號接收點之間距離如公式(1)所示：

(1)

其中：L1表示障礙物與超聲波信號接收點之間距離；M、K表示超聲波傳感器與超聲波信號接收點之間的距離和設置距離的倍數。

設置超聲波傳感器的間隔距離的關系如公式(2)所示：

(2)

超聲波的傳播路徑為S，則有如下關系：

L1≤S≤L2

(3)

即：

(4)

當L1

2.2 基于超聲測距的避障信息處理

工業機器人避障控制系統一般安裝在實時動作的機械設備上，需要超聲波傳感器能夠對避障信息進行及時處理。本文設計的超聲波傳感器從不同的方向同時獲取外部的障礙信息，超聲波傳感器在進行避障信息處理的過程中需要對這些信息進行初步的綜合處理，判斷自身設備所在的環境狀態，在已知自身環境狀態的情況下實施避障策略。對于避障信息的詳細處理步驟如圖7所示。

圖7 基于超聲測距的避障信息處理流程

1)超聲波傳感器中的數據儲存元件大量采集環境信息數據，同時也將工業機器人避障控制系統的動作姿態記錄下來，超聲波傳感器中的數據儲存元件大量采集環境信息數據，這些數據包含不確定因素，因此建立一個模糊數據庫，將這些模糊數據儲存在模糊數據庫中；

2)超聲波傳感器在較為狹窄的環境中會發出漫反射超聲波，該環境下產生的連續漫反射超聲波能夠提供更加精準的測距數據，所以超聲波傳感器需要對漫反射信息及時定位并將信息上傳到模糊數據庫中；

3)數據進入模糊數據庫中，運行程序會將相應的數據按照方向類別進行劃分選取，例如左側障礙物測距數據庫、右側障礙物測距數據庫、前方障礙物測距數據庫等；

4)避障信息處理的最后一步就是對不同方向的測距信息進行提取，針對不同方向的障礙物距離規劃出避障路徑[19-21]。

在碰撞過程，系統需要發送軟件通訊模式組件有效的服務器，利用DTU完成信息通訊，軟件配置了mServer完成信息通信，通過不同的串口進行信息交互。在參數設置輸入系統完成信息測量，如果測量的數據能夠超過設定值，就會發出警報，提醒出現碰撞操作[22]。

3 實驗結果及討論

為了驗證本文設計的基于超聲測距的工業機器人避障控制系統的有效性，通過實驗平臺對系統的防碰撞性能進行檢測。設置工業機器人在正常狀況下運行，設置碰撞阻礙，分析機器人在安裝本文設計的工業機器人避障控制系統后，運行狀況。

在對本文的工業機器人避障控制系統的有效性進行檢測之前，要判斷檢測模板的正確性，設定校驗模塊，并設置屏蔽墻面，通過讀取傳感器反饋數值，分析校正值與偏差值的范圍，實現超聲提示，如果存在異常，需要發出警報。

超聲波傳感器測距信號預警閾值如表1所示。

表1 超聲波傳感器測距預警閾值

為保證驗證效果，本文分別設計了在左側遇到障礙物、在右側遇到障礙物、存在拐角、遇到不可通行區域和遇到小型障礙物幾種情況，選用本文的防碰撞系統控制系統，系統的運行情況如圖8所示。

圖8 左側遇到障礙物運行狀況

根據圖8可知，本文提出的防碰撞系統控制操控下的機器人在左側遇到障礙物之前向著右前方移動，當檢測到要遇到障礙物之后，機器人通過向右側旋轉巧妙地躲開障礙物，沿著障礙墻壁直行，具有很好的避障能力。機器人在運行一段時間后，遇見障礙物，工業機器人能夠感知到外界存在障礙，并改變原本的運行方式，沿著墻壁直行，防止出現碰撞。

根據圖9可知，根據上圖可知，在遇障礙物之前，防碰撞系統控制操控下的機器人在運行過程中向前方移動，由于障礙墻壁在機器人的正右側，所以機器人能夠正常運行。

圖9 右側遇到障礙物運行狀況

根據圖10可知，在遇到拐角之前，機器人沿著墻壁直行，在檢測到拐角之后，機器人繞過拐角運行，能夠正常行駛。

圖10 遇到拐角運行狀況

觀察圖11可知，在遇到不可通行區域之前，機器人向著前方旋轉，當檢測到存在不可通行區域后，機器人改變運行方向，走出不可通行區域。

圖11 遇到不可通行區域運行狀況

根據圖12可知，本文提出的防碰撞系統控制操控下的機器人在遇到小型障礙物之后會改變運行狀態，繞過障礙物向別的方位運行。

圖12 遇到小型障礙物運行狀況

通過上述測試可以發現，基于超聲測距的工業機器人避障控制系統具備很強的防碰撞能力，在發現正常運行的路線存在障礙物之后，系統就會立刻在監控界面上確定故障的原因，通過設定參數完成數值設置，防止系統出現碰撞。

以文獻[3]提出的方法作為實驗對比方法，測試兩種系統在避障控制方面的準確性，得到對比結果如表2所示。

表2 避障控制準確性對比結果

分析表1結果可知，本文系統的避障控制準確率平均為97.4%，文獻[3]系統的避障控制準確率平均為84%。本文系統在運行過程中，系統設置了訪問控制程序，計算機可以更好地操控系統，超聲波傳感器傳輸的信號像雷達一樣反射給目標，在短距離使用中有明顯的優勢。本文設計的系統將傳感器與攝像機結合到一起，工業機器人能夠觀察周圍環境，并檢測目標，因此能獲得準確的避障信息。

超聲波內部的響應集線器能夠分析信息，頻率高、波長短、繞射現象小，具有很強的折射能力。雖然在介質傳播過程中，隨著距離的增加，得到的能量也逐漸衰減，但是由于本文引入了傳感器，因此在擴散、散射和吸收傳感器能量上，本文研究的系統具有顯著的優勢。

壓電晶片的共振頻率與工作頻率相同，根據工作原理可知，如果兩端的交流電壓頻率與晶片頻率能夠保持一致時，系統具有很大的輸出能量，能夠在短時間內做出靈敏的判斷，提高系統操控的工業機器人的運行準確性。由于在運行過程中，系統的工作溫度較低，因此本文設計了長時間待機功能，防止在運行過程出現失效。

由于晶體本身的耦合系數很大，所以自身的靈敏度得以加強。在探測過程中，傳感器聽到聲音就能輸出信息，所有的信息會反饋給超聲波傳感器，利用傳感器實現信息檢測，擴大傳感范圍。由于碰撞的目標可能體積較大，憑證密度較高，因此本文設計的避障孔明之系統引入的變換器呈現角度物體，如果在短時間內，傳感器都沒有得到有效的信息，超聲波傳感器會自動加長響應時間，通過分析多次研究得到的平均值，防止信息在傳播的過程中出現偏離。在超聲狀態下，傳感器可以通過分析干擾來判斷物體是否存在。同時系統還設置了溫度補償功能，這種功能可以有效對外界環境溫度進行調節，即使外界環境溫度出現改變，本文設計的防碰撞系統也能夠自我調節，防止由于溫度梯度出現變化，或者環境溫度變化過快對超聲波傳感器造成的影響，提高測量精度。

綜上所述，本文將以超聲波傳感器作為工業機器人避障控制系統的設計基礎，利用超聲波傳感器的作用特點和與工業機器人避障控制系統之間的配合度解決工業機器人避障控制系統中信號不穩定、測距參數誤差較大等問題。

4 結束語

本文在超聲波傳感器的基礎上設計了工業機器人避障控制系統，充分發揮超聲波傳感器方向性良好、不易受外部環境干擾等優勢，設計出了超聲波傳感器在工業機器人避障控制系統中的核心軟硬件。實驗結果表明，基于超聲測距的工業機器人避障控制系統能夠實現更加精準、穩定的工業機器人避障控制，并通過對比實驗驗證了避障控制的準確性。