專利名稱：導航機器人障礙探測方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人導航技術領域，涉及一種導航機器人障礙探測方法及系統。
背景技術：
主動安全避障是導航機器人基本功能之一，現有多種實現技術紅外技術、機器視覺技術、激光技術、微波雷達技術和超聲波技術等。然而，這些技術都是各具特點，紅外分辨率最高達lum，測量范圍在幾十厘米到1米的距離，主要用于近距離障礙的檢測。機器視覺技術探測范圍廣，信息最大，難于區分探測目標和背景。所需的圖像計算量很大，系統的實時性較差。激光方向性好，精度與分辨率均很高，但價格昂貴。微波雷達技術利用多普勒 (Doppler)原理，檢測速度快和靈活性高、自動選頻、自適應波形的能力強、分辨率高、價格昂貴，一般用于檢測運動物體的距離。超聲測距衍射角范圍為20° 40°的面探測，一般探測距離0. 3-3m左右，分辨率2cm。綜上所述，激光和微波傳感器的價格昂貴，且激光雷達體積大，較為笨重，安裝在小型移動機器人上，會使其喪失靈活性。利用微波的多普勒雷達大多用來躲避快速運動的障礙物。機器視覺技術所需的圖像計算量很大，系統的實時性較差，成像的速度不能滿足自主移動機器人的應用需要。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種導航機器人障礙探測方法及系統，本發明的導航機器人障礙探測方法及系統，探測精度高，探測角度大。發明的技術解決方案如下一種導航機器人障礙探測方法，將超聲探測模塊架于掃描舵機之上，實現正前方的掃描探測；通過控制PWM波的高電平時間來控制掃描舵機的轉角；為減小測量誤差，采用以下方法測量超聲波傳播時間利用信號發送至波峰經歷的時間，再減去起振點至波峰的時間間隔，得到超聲波傳播時間間隔，所述的波峰通過回波信號的包絡線獲得。解釋超聲波信號傳播時間為信號發送時間至回波起振點的時間間隔。系統測量時間為信號發送時間至回波信號包絡線波峰的時間間隔。由于起振點至包絡線波峰的時間間隔相對固定，因此系統測量時間減去起振點至回波包絡線波峰的時間間隔，最終將得到相當精度較高的超聲波傳播時間間隔。根據超聲波信號在標準實驗距離(如3米)中傳播實驗可知，起振點至波峰的時間間隔相對固定，多次標準實驗后取實驗平均值作為后續實驗的起振點至波峰時間間隔。采用諧振頻率為40kHZ壓電式超聲波傳感器，其原理是利用壓電晶體的諧振來工作，需要其兩極輸入頻率和壓電晶片固有諧振頻率相同的脈沖電壓使其處于工作狀態，因此發送超聲波信號時需要輸入40kHz的方波脈沖信號。具體使用中，也可以采用其他諧振頻率的壓電式超聲波傳感器，只要保證輸入的方波脈沖信號的頻率等于該諧振頻率即可。
PWM波的高電平時間在1 2ms之間變動，對應掃描舵機的輸出轉角在0 180° 之間變化。將5個光電傳感器在導航機器人的前端排成扇形陣列用于探測導航機器人的障礙物，相鄰的光電傳感器之間的夾角為37. 5°。電源通過H橋與導航機器人的驅動電機連接，實現單電源驅動電機的正轉和反轉。一種導航機器人障礙探測系統，采用前述的導航機器人障礙探測方法，該導航機器人障礙探測系統包括超聲探測模塊、超聲掃描模塊和核心控制模塊；超聲探測模塊與超聲掃描模塊均與核心控制模塊連接；超聲探測模塊包括高壓驅動信號產生模塊和超聲波信號接收調整模塊；高壓驅動信號產生模塊的結構為變壓器的初級線圈接方波信號；變壓器的次級線圈輸出升壓后的信號接超聲波發射頭；超聲波信號接收調整模塊的結構為超聲波信號接收電路的輸出信號依次經放大器和A/D轉換器與核心控制模塊連接；超聲掃描模塊包括掃描舵機和用于驅動掃描舵機的PWM驅動電路。所述的方波信號的頻率為40kHz。所述的放大器由兩級運算放大器級聯而成。所述的導航機器人障礙探測系統還包括紅外探測補償模塊，紅外探測補償模塊包括設置在導航機器人的前端的5個光電傳感器，5個光電傳感器排成扇形陣列，相鄰的光電傳感器之間的夾角為37. 5°。有益效果本發明導航機器人障礙探測方法及系統，其目的在于提高普通超聲探頭的探測范圍，補償超聲測距的盲區問題，并使回波信號的干擾減小，提高超聲測距技術的精度。將超聲掃描系統用于小型移動機器人平臺，實現自主機器人實時高精度導航。本發明利用40kHz 驅動信號產生模塊與超聲波信號接收調整模塊實現普通超聲探頭的長距離探測。設計超聲收發模塊駕于掃描舵機之上，達到平面內多點探測的效果，同時減小了回波信號的干擾。在保障機器人平臺減速電機的控制精度的同時采用紅外與超聲技術實現小盲區大范圍的探測。本發明主要包括以下幾方面內容(1)長距超聲探測的實現主要由40kHz高壓驅動信號產生模塊與超聲波信號接收調整模塊完成。40kHz驅動信號產生模塊是超聲測距方案中的關鍵部分之一，40kHz高壓驅動信號由單片機的PWM模塊產生占空比為50%的方波，并經由與非門電路產生兩路周期相同電平相反的方波，同時利用一路通用I/O控制方波信號的輸出，既信號使能端。以上產生的兩路方波用以控制兩個MOS管控制脈沖變壓器初級端繞組的通斷，形成推挽輸出，以保證變壓器初級繞組電能的持續供應，通過初級繞組的40kHz方波信號經過變壓器的升壓作用，在次級繞組輸出峰峰值約為100V的驅動信號。利用此信號來驅動超聲波發射頭，可將峰峰值為12V的信號，升至峰峰值為108V的信號，并且能確保輸出功率足以驅動超聲波發射頭，電路圖如圖2所示。超聲波信號接收調整模塊是將超聲波信號遇到障礙物返回超聲接收頭，這個過程中會引起接收頭的共振從而產生共振電壓。該信號比較微弱需要經過放大才能用AD進行采樣。放大電路采用儀表放大器INA129P進行第一級放大，放大倍數為100 倍。信號經過第一級放大后，再輸入一個增益可控的儀表放大器PGA202AP進行二級放大， 其增益可以利用單片機的I/O控制，可分別設置增益為1/10/100/1000，根據信號的強弱改變增益大小，使信號處理更加靈活，進而提高測距的量程。(2)主控芯片與驅動電路模塊是設計機器人平臺控制的核心，小型機器人平臺是最小系統板上搭載主控芯片型號是MC9S12DG128。該芯片的特點是價格便宜，有兩個外部脈沖累加器，脈沖累加器在工作的時候不需占用芯片資源。機器人平臺驅動電路采用場效應管搭建H橋而實現。該驅動電路的優點在于正反驅動力強勁，但由于其反向導通時沒有相應的保護措施，所以反向電流較大。增加兩種措施防止由于信號延時的問題使得同邊上下橋臂同時導通管情況。其一是改善數字電路，減少了 PWM 口的占用數量，將原先的4路PWM 輸入簡化為兩路PWM輸入，另外兩路則是高低電平性質的Direction控制信號。其二是選擇PWM波在低電平時才作為有效控制信號輸出。由于主控芯片PWM引腳在無控制信號輸出時，默認的懸空電平會接近于高電平，所以，將PWM信號選為低電平有效就不會出現電機在無控制信號時空轉的情況出現。圖3是加入了數字電路的控制信號端原理圖，圖4是H橋電路原理圖。(3)設計超聲收發模塊駕于掃描舵機之上，達到平面內多點探測的效果，同時減小了回波信號的干擾。超聲波測距在工作時，射到目標物體上是一個區域，其返回的信號一般僅能表示障礙物最近點的信息，因此它屬于點對點測距。如果要獲得周圍環境的二維信息， 通常采用設置多個測距模塊形成環形的測距陣列來獲得多組信息。如此使收發模塊相互干擾程度很大，且成本高，用于移動機器人平臺時，其環境信息不能準確反映。提出用單個超聲波測距模塊駕于平面掃描的舵機之上，測距模塊隨舵機轉軸轉動，以達到平面內多點探測的效果。利用舵機的角度細分，可使測距模塊在平面內的多個角度測量點對點距離。使得同一平面測量點數遠遠超過測距陣列；另外，由于在某一時刻只會有一個點在進行超聲波測距，再加上對回波數字信號的優化處理，所以基本可以消除回波干擾的問題。(4)結合紅外與超聲技術實現更大范圍探測，利用紅外接近開關將超聲波傳感器的檢測盲區進一步消除，選用5個光電開關傳感器。接線參數如下圖左，本平臺選用的是 E3F-DS30C4, NPN型漫反射光電開關，有效監測距離為30cm。利用12V電壓驅動，輸出電平信號，接入單片機引出的I/O 口。經過調試，將5個光電傳感器在車前排成扇形陣列，光電開關的發散角較小，經過布局后組成陣列覆蓋于車前的150°范圍，如圖5所示。與掃描舵機之上的超聲收發模塊相互配合，解決機器人前方檢測死角問題。所以本發明采用紅外技術與超聲波技術的有機結合，減小了盲區的范圍。采用一對超聲探頭掃描作業，實現平臺內全探測，也達到了小型移動機器人便捷安裝的需求，同時也滿足低成本與實時響應的要求。本發明的超聲探測模塊主要由40kHz高壓驅動與超聲接收信號放大實現。將該模塊架于掃描舵機之上，實現正前方無死角180°掃描探測。并結合紅外測距實現對導航機器人超聲盲區的補償。機器人本體核心控制芯片選用MC9S12DG128，驅動電路采用場效應管搭建H橋實現。本發明的導航機器人利用了一對超聲探頭實現平面多點感測，最遠測距范圍可至5. 9m，探測盲區縮小至2cm。系統具有成本低廉、探測盲區小、抗衍射能力強，實時性好等特點，產業化前景看好。可用于微小型機器人導航、環境探測、智能車主動安全等領域。
圖1是超聲測距系統框2是40kHz驅動信號產生模塊；圖3是加入了數字電路的控制信號端原理4是H橋電路原理圖；圖5是紅外光電傳感器陣列圖；圖6是超聲收發駕于掃描舵機的實施過程圖；圖7是紅外光電開關工作框圖。
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明如圖1所示，該探測系統核心部分為40kHz高壓驅動信號產生模塊和超聲波信號接收調整模塊的設計通過初級繞組的40kHz方波信號經過變壓器的升壓作用，在次級繞組輸出峰峰值約為100V的驅動信號，利用此信號來驅動超聲波發射頭，可將峰峰值為12V 的信號，升至峰峰值為108V的信號，保障輸出功率驅動超聲波發射頭；超聲接收調整過程中信號比較微弱需經放大才能AD采樣，放大電路采用儀表放大器INA129P進行第一級放大，放大倍數為100倍，再經過增益可控儀表放大器PGA202AP進行二級放大，其增益可用單片機的I/O控制，可分別設置增益為1/10/100/1000倍，根據信號的強弱自適應的改變增益大小，使信號處理更加靈活，提高測距的量程。核心控制器MC9S12 DG128與場效應管搭建H橋驅動電路的設計DGU8芯片節省系統資源，擁有獨立的7路PWM波輸出口，機器人系統設計中采用兩路，其它輸出口引出作為搭載超聲傳感器的伺服電機的控制信號；H橋驅動電路增加兩種設計方式，以防止信號延時導致同邊上下橋臂的即時導通其一是加入數字電路，減少了 PWM 口的占用數量，將原 4路PWM輸入簡化為兩路PWM輸入，另外兩路則是高低電平性質的Direction控制信號；其二是當PWM處于低電平時才作為有效控制信號。一對探頭實現正前方180°無死角平面多點探測，機器人長距超聲收發模塊駕于掃描反應速度為300° /s舵機之上，實現前方平面多點掃描與探測，此項設計能減小50% 的回波信號干擾。紅外傳感器補償超聲傳感器探測技術的盲區，使微小型導航機器人最遠測距范圍高達5. 9m，最近探測距離縮小至2cm，使得微小型導航機器人系統探測空間得到本質上的提升。超聲感測系統經由單片機的PWM模塊產生40kHz控制信號，信號經由脈沖變壓器和MOS管組成的功率放大模塊發出強功率的超聲波信號，發送多個周期(比如10個周期) 的脈沖波后，單片機停止發送40kHz信號，同時啟動定時器和AD轉換模塊，等待回波信號。 超聲波信號遇障礙物后返回經由超聲波接收頭接收，接收信號經過放大調理后，輸入至AD 轉換模塊，回波信號的模數轉換信息連同定時器計數器的值被分別存到兩個數組中。根據 AD轉換所得到的值，可得到回波信號的包絡線，如此便可以利用包絡線得到的其峰值，根據峰值確定其在數組中的位置，而位置數據可以最終在計數器數據數組中得到相對應的時間信息，從而可得到超聲波傳輸間隔時間，進而推算距離值。超聲波測距中需要測量的時間間隔為開始發送脈沖到接收器接收回波信號起振間隔，但接收器起振輸出信號常常較小，并且穩定性不高。若設置傳統閾值觸發容易造成較大誤差，而波峰出現具有一定穩定性，且相對起振點的位置固定，因此利用信號發送至波峰經歷的時間，再減去起振點至波峰點的時間間隔，便可得相對穩定的超聲波傳播時間間隔。機器人平臺核心控制DGU8芯片，通過單片機自帶的脈沖計數器模塊對電機編碼盤處反饋回來的脈沖信號進行收集，但脈沖計數器的值累加到255時會向單片機發出計數器溢出中斷。單片機在接到溢出中斷時會將計數器中的值自動存儲到自帶的累加器中，并將計數器的值清0，以便繼續計入新的脈沖值。當單片機檢測到定時器中斷到達后，單片機會讀出脈沖累加器中的值，并將累加器的值清零，以便開始進行下一個周期的脈沖計數。機器人平臺核心控制DG128芯片，通過單片機自帶的脈沖計數器模塊對電機編碼盤反饋的脈沖信號進行收集，當脈沖計數器值累加到255時會向單片機發出計數器溢出中斷。單片機在接到溢出中斷時會將計數器中的值自動存儲到自帶的累加器中，并將計數器值清零，以便繼續計入新的脈沖值。當單片機檢測到定時器中斷到達后，單片機會讀出脈沖累加器中的值，并將累加器值清零，以便開始下個周期的脈沖計數。通過電機編碼盤線數可得平臺驅動輪旋轉一圈所對應的脈沖數，結合單位時間內單片機反饋的脈沖數據，再利用單位時間內單片機反饋脈沖與電機編碼盤線數的比值，即可得單位時間內驅動輪轉動的角度，根據驅動輪的半徑即可推算行進距離。DG128有獨立工作的7路PWM波輸出口，機器人平臺設計中用到其中兩路，分別作為左右驅動電機的脈寬調制信號輸入。再任選一路作為搭載超聲傳感器的伺服電機的控制信號。其中電機PWM波頻率在IK 2KHz之間，舵機的控制信號則頻率不宜過高，以20ms 為周期，頻率控制在50Hz左右為佳，舵機內部自帶有一個基準電路和一個比較器，基準電路產生周期為20ms，寬度1. 5ms的基準信號，通過比較器將外加信號與基準信號進行比較， 若給定信號小于基準信號在Ims 1. 5ms之間變化，舵機的輸出轉角對應為0 90°，并近似線性關系對應；若給定信號大于基準信號在1. 5ms 2ms之間變化，則舵機輸出對應轉角為90 180°，并近似線性關系對應。所以通過比較給定信號高電平的時間即可判斷出舵機對應輸出的方向。此處高電平時間分別設為lmS、1.5mS、aiiS，分別對應舵機的極左、居中和極右三種狀態。伺服電機的響應速度在60° /0. Is左右，能匹配超聲波模塊收發速度，通過控制舵機左右左搖頭運動，可以基本實現本平臺所搭載的超聲波模塊對前方180°范圍內零死角掃描。機器人平臺驅動電路利用場效應管搭建H橋(H橋介紹由兩個三極管，一個可以對正極導通實現上拉，另一個可以對負極導通實現下拉。由兩套這樣的電路，在同一個電路中，同時一個上拉，另一個下拉，或相反，兩者總是保持相反的輸出，這樣可以在單電源的情況下使負載的極性倒過來。在此處是用于驅動電機正反轉)而實施工作。H橋驅動電路主要利用的是N型場效應管和P型場效應管導通時門極電壓反向的特性來搭建上下橋臂，上橋臂選用P型MOS管，中間接通電機，下橋臂則使用N型MOS管，當PWM波到來時，經過數字電路的處理，輸入至光電耦合隔離單元將驅動信號放大，再用來驅動電機。超聲收發駕于掃描舵機的實施由兩部分組成，超聲波測距模塊和舵機模塊。舵機是直立著安裝在移動機器人的前端，而超聲波測距模塊則是通過一個連接件固定于舵機的轉軸上。當舵機轉動時，超聲波測距模塊會隨著舵機的轉軸轉動。舵機屬于伺服電機，內部擁有一個電位器反饋電機的轉角信息，形成內反饋，從而可以精確地控制舵機的轉角，而控制轉角需控制PWM波的高電平時間在1 2ms之間變動，對應舵機的輸出轉角在0 180° 之間變化，轉角與正脈寬時間成近似線性關系對應。在精確控制轉角的同時，舵機還能夠對控制指令做出快速反應，它的反應速度一般為0jS/60°。舵機的旋轉角度為180°，如此信息量已可滿足避障和路徑規劃的要求。具體工作過程如下系統初始化時，舵機偏轉回歸中值，即正對小車前方，準備進行測距。接著進入測距掃描階段，在舵機到達程序要求角度位置之后，超聲波測距模塊開始測距，若在其量程范圍內出現回波，則通過測距模塊主控單片機的串口模塊返回距離值，若沒有信號，則返回沒有獲得障礙物距離信號。系統的上一級處理單元獲得測量信號后，完成對信號的存儲和處理，同時發出舵機偏轉指令，使舵機偏轉一定的角度，等待下一次測距信號的返回。如果系統檢測到舵機偏轉已到某個方向的最大值，系統則會控制舵機朝另一個方向偏轉。流程圖如圖6。 紅外光電開關主要功能是對平臺前方約150°、30cm范圍內的有效障礙物進行檢測，只要障礙物有足夠的反射面，經過紅外光照射，接收管接收到反射信號后會將其轉換成為電平信號，再讀入單片機I/O 口中。通過讀取I/O 口的返回值，單片機將優先對紅外開關的反饋信號做處理，因為在程序編寫時，將30cm默認為危險區域，需要優先避障。具體的避障策略為保持原點，左右輪通過差速轉向，如圖7所示。
權利要求
1.一種導航機器人障礙探測方法，其特征在于，將超聲探測模塊架于掃描舵機之上，實現正前方的掃描探測；通過控制PWM波的高電平時間來控制掃描舵機的轉角；為減小測量誤差，采用以下方法測量超聲波傳播時間利用信號發送至波峰經歷的時間，再減去起振點至波峰的時間間隔，得到超聲波傳播時間間隔，所述的波峰通過回波信號的包絡線獲得。
2.根據權利要求1所述的導航機器人障礙探測方法，其特征在于，PWM波的高電平時間在1 2ms之間變動，對應掃描舵機的輸出轉角在0 180°之間變化。
3.根據權利要求1所述的導航機器人障礙探測方法，其特征在于，將5個光電傳感器在導航機器人的前端排成扇形陣列用于探測導航機器人的障礙物，相鄰的光電傳感器之間的夾角為37. 5°。
4.根據權利要求1所述的導航機器人障礙探測方法，其特征在于，電源通過H橋與導航機器人的驅動電機連接，實現單電源驅動電機的正轉和反轉。
5.一種導航機器人障礙探測系統，其特征在于，采用權利要求1-2或4任一項所述的導航機器人障礙探測方法，該導航機器人障礙探測系統包括超聲探測模塊、超聲掃描模塊和核心控制模塊；超聲探測模塊與超聲掃描模塊均與核心控制模塊連接；超聲探測模塊包括高壓驅動信號產生模塊和超聲波信號接收調整模塊；高壓驅動信號產生模塊的結構為變壓器的初級線圈接方波信號；變壓器的次級線圈輸出升壓后的信號接超聲波發射頭；超聲波信號接收調整模塊的結構為超聲波信號接收電路的輸出信號依次經放大器和 A/D轉換器與核心控制模塊連接；超聲掃描模塊包括掃描舵機和用于驅動掃描舵機的PWM驅動電路。
6.根據權利要求5所述的導航機器人障礙探測系統，其特征在于，所述的方波信號的頻率為40kHz。
7.根據權利要求5所述的導航機器人障礙探測系統，其特征在于，所述的放大器由兩級運算放大器級聯而成。
8.根據權利要求6-7任一項所述的導航機器人障礙探測系統，其特征在于，還包括紅外探測補償模塊，紅外探測補償模塊包括設置在導航機器人的前端的5個光電傳感器，5個光電傳感器排成扇形陣列，相鄰的光電傳感器之間的夾角為37. 5°。
全文摘要
本發明公開了一種導航機器人障礙探測方法及系統，系統主要由超聲探測模塊、超聲掃描模塊、紅外探測補償模塊、機器人核心控制模塊構成。其中超聲探測模塊主要由40kHz高壓驅動與超聲接收信號放大實現。將該模塊架于掃描舵機之上，實現正前方無死角180°掃描探測。并結合紅外測距實現對導航機器人超聲盲區的補償。驅動電路采用場效應管搭建H橋實現。本發明的導航機器人利用了一對超聲探頭實現平面多點感測，最遠測距范圍可至5.9m，探測盲區縮小至2cm。系統具有成本低廉、探測盲區小、抗衍射能力強，實時性好等特點，產業化前景看好。可用于微小型機器人導航、環境探測、智能車主動安全等領域。
文檔編號G01S15/93GK102445694SQ201110279659
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者余伶俐, 唐琎, 尤作, 潘一嘯, 蔡自興 申請人:中南大學