智能移動機器人超聲波測距定位系統(tǒng)的研究

1、第30卷第8期2009年8月煤礦機械CoalMineMachineryAug.2009智能移動機器人超聲波測距定位系統(tǒng)的研究韓軍1，常瑞麗2，陳志靈3（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；3.西安理工大學(xué)機儀學(xué)院，西安710048）摘要：移動機器人技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支，為了賦予機器人智能控制和自主導(dǎo)航的能力，解決機器人開發(fā)過程存在著成本高、功耗大等問題，研究設(shè)計了一套基于超聲波傳感器的智能移動機器人測距定位系統(tǒng)，同時使機器人具有報警、避障及定位等功能。關(guān)鍵詞：智能移動機器人；測距定位；超聲波傳感器中圖分類

2、號：TP242.6文獻標(biāo)志碼：A文章編號：10030794（2009）08006603ResearchofRangePositioningSystemBasedonUltrasonicSensorforIntelligentMobileRobotHANJun1,CHANGRui-li2,CHENZhi-ling3(1.MechanicalEngineeringCollege,InnerMongoliaScienceandTechnologyUniversity,Baotou014010，China；2.InformationEngineeringCollege,InnerMongoliaSci

3、enceandTechnologyUniversity，Baotou014010，China；3.MachineryandInstrumentColleteofXianUniversityofTechnology,Xian710054，China)Abstract:Thetechnologyofmobilerobotisanimportantbranchinroboticresearch.Inordertoendowrobotswithcapacityofintelligentcontrolandautonomousnavigation,andsolvetheproblemssuchashig

4、hcostandlargepowerconsumption,arangepositioningsystembasedonultrasonicsensorforintel-ligentmobilerobotisdesigned,andmakesrobotsachievesomefunctionssuchasalarming,obstacleavoidanceandthepositioning.Keywords:intelligentmobilerobot;rangepositioning;ultrasonicsensor!2倍，結(jié)合式（11）可以看出：車輪半徑r僅僅是影響4結(jié)語頭部垂直越障最大高

5、度的一小部分。提出了一種用于煤礦救援的蝦形六輪移動機器人，并對其頭部車輪垂直越障性能進行了理論分析，得到了機器人頭部可越過垂直臺階高度與機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)和摩擦系數(shù)之間的定量關(guān)系，車輪半徑僅僅是影響頭部垂直越障最大高度的一小部分。并制作了仿真模型和實驗?zāi)Ｐ头謩e進行仿真驗證和實驗驗證，結(jié)果均表明：蝦形六輪移動機器人頭部車輪垂直越障性能理論分析模型是正確的。參考文獻：1王忠民，劉軍，竇智，等.礦難救援機器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與開發(fā)J.煤礦機械，2007，27（11）：6-8.2董曉坡，王緒本.救援機器人的發(fā)展及其在災(zāi)害救援中的應(yīng)用J.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2007，27（1）：1-7.3魏娟，賈廣利，馬宏偉.

6、煤礦救援機器人虛擬樣機仿真分析J.機械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（11）：1369-1373.4鄧宗全，張朋，胡明，等.輪式行星探測車移動系統(tǒng)研究狀況綜述及發(fā)展態(tài)勢J.機械設(shè)計，2008，25（1）：1-5.5李翠蘭，馬培蓀，高雪官.一種新型的可被動適應(yīng)崎嶇表面的六輪月球漫游車J.傳動技術(shù)，2005，19（1）：9-13.6曹沖振、王鳳芹、張華宇，等.蝦形六輪移動機器人P：中國，3仿真和實驗驗證（1）仿真驗證為了驗證上述頭部垂直越障最大高度分析模型的正確性，用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件Adams仿真頭部垂直越障過程，得到的結(jié)果與其對比。將圖1所示實體模型從軟件UnigraphicsNX中以*.x_

7、t格式導(dǎo)入到仿真軟件ADAMS中，進行必要的前期處理。仿真結(jié)果是頭部車輪最大越障高度為239.5mm。對比理論計算和仿真結(jié)果可以看出理論計算的越障高度雖小于仿真的越障高度，但差別不大，誤差的原因可能是：頭部各桿、車輪及驅(qū)動電機所受重力G1的作用點設(shè)在車輪中心將引起理論結(jié)果偏?。粶y定重力G2的作用點時由于測量方法會引入誤差，同時理論計算忽略了腹部結(jié)構(gòu)在越障過程中由于變形而引起重力作用點的移動；尾部重力G3作用點在尾部輪中心的假定。（2）實驗驗證實驗樣機輪徑為110mm，通過調(diào)整實驗臺2部分的相對位置來改變臺階的高度，最后確定頭部越障的最大高度可以達到229mm（機器人整體能夠順利越過臺階的高度為

8、220mm），此結(jié)果與分析模型得到的結(jié)果、仿真驗證的結(jié)果比較接近，從而驗證了頭部垂直越障分析模型的正確性。200810139146.9，2008-08-08.作者簡介：曹沖振（1975），山東臨沂人，2005年于上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院獲博士學(xué)位，現(xiàn)工作于山東科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，副教授，主要研究方向為自動化技術(shù)、特種機器人，獲省部級科技進步獎3項，授權(quán)專利8項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文21篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄11篇，電子信箱：caochongzhen.收稿日期：2009022666引言超聲波傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號或者將外界聲場中的聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號

9、的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波是一種頻率超過20kHz的機械波，它沿直線傳播、方向性好、傳播距離比較遠，不同物質(zhì)交界面上傳播時會產(chǎn)生反射波。由于超聲波具有以上這些特點，被廣泛應(yīng)用于測量物體的距離、厚度、液位等領(lǐng)域。另外，由于超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低廉，通過信息融合可以準(zhǔn)確反映外部環(huán)境，因而在實驗型和應(yīng)用型智能移動機器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。1超聲波傳感器測距原理在實際工程中測距的方式多種多樣，如激光測距、微波測距、紅外線測距和超聲波測距等，其中超聲波測距簡單可行，被廣泛采用。目前超聲波測距電路有很多，甚至市場上已有專用超聲波測距集成電路出售，但這些電路有的較為復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)試?yán)щy，有的

10、元器件不易購買。本文設(shè)計的超聲波測距定位系統(tǒng)簡單易行、成本低廉、所用元器件容易購買、性能可靠。超聲波測距通常采用度越時間法，即被測物體的距離（1）S=vt/2采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來驅(qū)動電路，其振蕩頻率f主要由電阻R1、R2、R3和電容C1的參數(shù)及電源電壓來決定，其中當(dāng)R1、R3和C1固定時，改變電位器R2的阻值就可改變振蕩頻率。振蕩頻率1yf=1=（1231輸出脈沖的占空比為（4）q=R1+R2+2R3（5）555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出的40kHz方波信號經(jīng)過OTL(無輸出變壓器的功率放大電路)電路來進行功率放大，用一個電容作為輸出耦合電容取代變壓器，而在一般情況下功率放大電路的負載

11、電流很大，電容值要選上千微法。但并不是電容值越大越好，當(dāng)電容增大到一定程度時，由于2個極板面積很大，電容的漏阻和電感效應(yīng)增強，使電路工作頻率下降。另外，OTL電路采用單電源供電，由移動機器人12V主電源供電即可。三極管選擇型號為9013型NPN三極管和9012型PNP三極管，以增強超聲波發(fā)射的能量、功率和測量精度。（2）超聲波接收電路超聲波接收電路主要由接收換能器、功率放大電路、比較及控制等環(huán)節(jié)組成。當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時，超聲波接收傳感器T/R40-16接收，由于回波電壓的數(shù)量級在毫伏量級，并且在距離較遠的情況下，回波更弱，因而必須將信號放大。如圖2所示，設(shè)計中采用高速精密放大器LM318

12、，其帶寬為v=331.4姨=343m/s式中超聲波的往返時間間隔；t速度；v環(huán)境溫度。T（2）在測量精度要求較高的場合必須考慮環(huán)境溫度的影響，但在一般情況下，可取常溫，再由軟件進行調(diào)整補償。測量誤差（3）1=vt+tv式中t時間測量誤差；聲速誤差。v2超聲波收發(fā)電路的設(shè)計（1）超聲波發(fā)射電路超聲波的發(fā)射電路如圖1所示，電路由LM555定時器構(gòu)成40kHz的多諧振蕩器。LM555第3引腳輸出端經(jīng)過功率放大后驅(qū)動超聲波傳感器T/R40-16，使之發(fā)射出超聲波信號。電路工作電壓12V，工作電流4050mA，發(fā)射超聲波信號大于5m。R11.5kPA6C10.033F+12VR25kR3RSTVCC47

13、0THRCOVLTDISCC3C2TRIG0.01FGNDOUT0.1FLM555J+12VQ19013C4LS15M，第1級放大50倍，第2級電路接可變電阻，理論放大倍數(shù)150倍，這樣2級放大倍數(shù)最大可達到2500倍，能充分滿足因為較遠距離傳播而變得相當(dāng)微弱的信號得到足夠增益。然后由LM567（音頻檢測器芯片）來完成信號的濾波、檢波、選頻等功能。R650kVCCR4+5VC22-+5VC11k247k1000F6-6VCCIN20k+LM318+R8OUTFILT33LM318LS2（左）R1-5V1000PF-5VLOOPFILTTIMCAPR5R3C3TIMRESR7C420k20kGN

14、D1FOUT20kTR40_R1FLM567H(音頻檢測器)CR21M5輸入信號12200PF圖2超聲波接收電路在LM567電路中，引腳1接電容C3到地，容量可在0.4722F選取，電容量越大，抗干擾性能越好，但反應(yīng)速度會越慢；引腳2接一個鎖相環(huán)濾波電容C4，該電容直接影響鎖相環(huán)接收器的接收帶寬。C4的容量與輸入信號端3的電壓和接收帶寬之Q21000FTR40T9012圖1超聲波發(fā)射電路67間的關(guān)系為BW=1070姨IN4，從中可看出信號越強、接收器接收的帶寬越寬，另外為了不損壞器件，應(yīng)對輸入信號的幅值加以限制，所以接耦合電容物與機器人之間的距離，并判斷距離是否在危險范圍內(nèi)，如果是，則機器人緊

15、急停止，返回主程序。4結(jié)語距離是很多工程控制中需要檢測的一個重要C2；在引腳5和引腳6之間接可變電阻R7，引腳6和引腳7之間接C5，這樣就可以通過R7和C5來確定鎖相環(huán)中心頻率參數(shù)，因此，測距就成為數(shù)據(jù)采集過程中所必須解決的一個問題。經(jīng)實驗證明，本文設(shè)計的超聲波測距定位系統(tǒng)成本低廉、元器件購買方便、電路實現(xiàn)簡單，并且符合嵌入式PC機數(shù)據(jù)處理的要求，測量精度高、調(diào)試簡單、工作穩(wěn)定可靠。開始并口初始化并口端RST端置零，T0產(chǎn)生1ms中斷返回主程序(6)1.1R7C5由式(6)可知，可通過調(diào)節(jié)R7和C5的大小將中f0=心頻率f0鎖在40kHz。這樣當(dāng)輸入信號大于25mV時，信號輸出端引腳8就會從高

16、電平躍變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^并口送到CPU處理，在端出端接一上拉電阻，可以讓輸出信號穩(wěn)定在5V。從超聲波發(fā)射到接收在空氣中傳播的時間可以由定時/計數(shù)器計算出，再由CPU處理后送入控制器，從而控制移動機器人的運動狀態(tài)。就像人眼睛的一部分，讓移動機器人具有準(zhǔn)確識別障礙物的能力。并口輸出低電平，電機停止是驅(qū)動模塊處理RST置1，開始發(fā)射中斷次數(shù)計數(shù)延時2ms停止發(fā)射，開外部中斷ISR10延時15ms等待ISR10中斷恢復(fù)中斷ISR10否在危險范圍內(nèi)嗎？3超聲波測距定位系統(tǒng)軟件設(shè)計超聲波測距的實現(xiàn)就是時差數(shù)據(jù)的采集過程。設(shè)否計算距離是有回波信號嗎？計中智能移動機器人嵌入式PC選擇的是PC/104，而PC/1

17、04主板有3個可編程的定時器/計數(shù)器(與8254兼容)，該定時器/計數(shù)器的使用與標(biāo)準(zhǔn)的PC/AT的一樣。8254的每個通道均由1個1.190MHz的振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器以與標(biāo)準(zhǔn)PC兼容的方式，由內(nèi)部往下分頻從而提供各種頻率。每個定時器通道的最大分隔率為840ns。超聲波傳感器測距定位系統(tǒng)軟件控制流程如圖圖3參考文獻：系統(tǒng)軟件流程1瞿金輝，周蓉生超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計J中國儀器儀表，2007（8）：4345.2樊高妮，何永強單片機AT89C2051在超聲波測距系統(tǒng)中的應(yīng)用J.湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，18（1）：6769.3閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M4版.北京：高等教育出版社，3所示，

18、該模塊主要完成3通道超聲波數(shù)據(jù)的循環(huán)采集處理，同時還把時間變化量即時傳送給PC/104。程序開始時的初始化包括定時器T0和PC/104外部中斷ISR10的初始化。置為工作方式1，構(gòu)成16位定時器?；夭ㄖ袛嘤赏獠恐袛郔SR10觸發(fā)，中斷程序使定時器實現(xiàn)定時中斷，得到時間變化量，從而可得障礙2006.4郭小軍LM567及其在測距中的應(yīng)用J實驗室研究與探索，2007（10）：2223.作者介紹：韓軍（1977-)，甘肅金昌人，碩士，講師，主要從事機電一體化、智能機器人的開發(fā)與研究工作，電子信箱：crl2006.收稿日期：20090206姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨萊蕪煤機公司榮獲“中國專利山東明星企業(yè)”稱號近日，山東煤機集團萊蕪煤機公司被山東省科學(xué)技術(shù)廳、山東省知識產(chǎn)權(quán)局授予“中國專