智能移動(dòng)機(jī)器人超聲波測(cè)距定位系統(tǒng)的研究

1、第30卷第8期2009年8月煤礦機(jī)械CoalMineMachineryAug.2009智能移動(dòng)機(jī)器人超聲波測(cè)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(jī)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(jī)儀學(xué)院，西安710048）摘要：移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，為了賦予機(jī)器人智能控制和自主導(dǎo)航的能力，解決機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程存在著成本高、功耗大等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一套基于超聲波傳感器的智能移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距定位系統(tǒng)，同時(shí)使機(jī)器人具有報(bào)警、避障及定位等功能。關(guān)鍵詞：智能移動(dòng)機(jī)器人；測(cè)距定位；超聲波傳感器中圖分類(lèi)

2、號(hào)：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(chē)輪半徑r僅僅是影響4結(jié)語(yǔ)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(dòng)機(jī)器人，并對(duì)其頭部車(chē)輪垂直越障性能進(jìn)行了理論分析，得到了機(jī)器人頭部可越過(guò)垂直臺(tái)階高度與機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)和摩擦系數(shù)之間的定量關(guān)系，車(chē)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e進(jìn)行仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果均表明：蝦形六輪移動(dòng)機(jī)器人頭部車(chē)輪垂直越障性能理論分析模型是正確的。參考文獻(xiàn)：1王忠民，劉軍，竇智，等.礦難救援機(jī)器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與開(kāi)發(fā)J.煤礦機(jī)械，2007，27（11）：6-8.2董曉坡，王緒本.救援機(jī)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(bào)，2007，27（1）：1-7.3魏娟，賈廣利，馬宏偉.

6、煤礦救援機(jī)器人虛擬樣機(jī)仿真分析J.機(jī)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(cè)車(chē)移動(dòng)系統(tǒng)研究狀況綜述及發(fā)展態(tài)勢(shì)J.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25（1）：1-5.5李翠蘭，馬培蓀，高雪官.一種新型的可被動(dòng)適應(yīng)崎嶇表面的六輪月球漫游車(chē)J.傳動(dòng)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(dòng)機(jī)器人P：中國(guó)，3仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1）仿真驗(yàn)證為了驗(yàn)證上述頭部垂直越障最大高度分析模型的正確性，用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams仿真頭部垂直越障過(guò)程，得到的結(jié)果與其對(duì)比。將圖1所示實(shí)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(jìn)行必要的前期處理。仿真結(jié)果是頭部車(chē)輪最大越障高度為239.5mm。對(duì)比理論計(jì)算和仿真結(jié)果可以看出理論計(jì)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(chē)輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)所受重力G1的作用點(diǎn)設(shè)在車(chē)輪中心將引起理論結(jié)果偏??；測(cè)定重力G2的作用點(diǎn)時(shí)由于測(cè)量方法會(huì)引入誤差，同時(shí)理論計(jì)算忽略了腹部結(jié)構(gòu)在越障過(guò)程中由于變形而引起重力作用點(diǎn)的移動(dòng)；尾部重力G3作用點(diǎn)在尾部輪中心的假定。（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輪徑為110mm，通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)2部分的相對(duì)位置來(lái)改變臺(tái)階的高度，最后確定頭部越障的最大高度可以達(dá)到229mm（機(jī)器人整體能夠順利越過(guò)臺(tái)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(yàn)證的結(jié)果比較接近，從而驗(yàn)證了頭部垂直越障分析模型的正確性。200810139146.9，2008-08-08.作者簡(jiǎn)介：曹沖振（1975），山東臨沂人，2005年于上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(jī)械與電子工程學(xué)院，副教授，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)、特種機(jī)器人，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)，授權(quán)專(zhuān)利8項(xiàng)，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(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

9、的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波是一種頻率超過(guò)20kHz的機(jī)械波，它沿直線(xiàn)傳播、方向性好、傳播距離比較遠(yuǎn)，不同物質(zhì)交界面上傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波。由于超聲波具有以上這些特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)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(jiǎn)單、體積小、成本低廉，通過(guò)信息融合可以準(zhǔn)確反映外部環(huán)境，因而在實(shí)驗(yàn)型和應(yīng)用型智能移動(dòng)機(jī)器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。1超聲波傳感器測(cè)距原理在實(shí)際工程中測(cè)距的方式多種多樣，如激光測(cè)距、微波測(cè)距、紅外線(xiàn)測(cè)距和超聲波測(cè)距等，其中超聲波測(cè)距簡(jiǎn)單可行，被廣泛采用。目前超聲波測(cè)距電路有很多，甚至市場(chǎng)上已有專(zhuān)用超聲波測(cè)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(gòu)買(mǎi)。本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距定位系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行、成本低廉、所用元器件容易購(gòu)買(mǎi)、性能可靠。超聲波測(cè)距通常采用度越時(shí)間法，即被測(cè)物體的距離（1）S=vt/2采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)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(lái)決定，其中當(dāng)R1、R3和C1固定時(shí)，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(hào)經(jīng)過(guò)OTL(無(wú)輸出變壓器的功率放大電路)電路來(lái)進(jìn)行功率放大，用一個(gè)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(fù)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(shí)，由于2個(gè)極板面積很大，電容的漏阻和電感效應(yīng)增強(qiáng)，使電路工作頻率下降。另外，OTL電路采用單電源供電，由移動(dòng)機(jī)器人12V主電源供電即可。三極管選擇型號(hào)為9013型NPN三極管和9012型PNP三極管，以增強(qiáng)超聲波發(fā)射的能量、功率和測(cè)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(shí)，超聲波接收傳感器T/R40-16接收，由于回波電壓的數(shù)量級(jí)在毫伏量級(jí)，并且在距離較遠(yuǎn)的情況下，回波更弱，因而必須將信號(hào)放大。如圖2所示，設(shè)計(jì)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(shí)間間隔；t速度；v環(huán)境溫度。T（2）在測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)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(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。測(cè)量誤差（3）1=vt+tv式中t時(shí)間測(cè)量誤差；聲速誤差。v2超聲波收發(fā)電路的設(shè)計(jì)（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(shí)器構(gòu)成40kHz的多諧振蕩器。LM555第3引腳輸出端經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器T/R40-16，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)。電路工作電壓12V，工作電流4050mA，發(fā)射超聲波信號(hào)大于5m。R11.5kPA6C10.033F+12VR25kR3RSTVCC47

13、0THRCOVLTDISCC3C2TRIG0.01FGNDOUT0.1FLM555J+12VQ19013C4LS15M，第1級(jí)放大50倍，第2級(jí)電路接可變電阻，理論放大倍數(shù)150倍，這樣2級(jí)放大倍數(shù)最大可達(dá)到2500倍，能充分滿(mǎn)足因?yàn)檩^遠(yuǎn)距離傳播而變得相當(dāng)微弱的信號(hào)得到足夠增益。然后由LM567（音頻檢測(cè)器芯片）來(lái)完成信號(hào)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(cè)器)CR21M5輸入信號(hào)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(huì)越慢；引腳2接一個(gè)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(hào)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(hào)越強(qiáng)、接收器接收的帶寬越寬，另外為了不損壞器件，應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)的幅值加以限制，所以接耦合電容物與機(jī)器人之間的距離，并判斷距離是否在危險(xiǎn)范圍內(nèi)，如果是，則機(jī)器人緊

15、急停止，返回主程序。4結(jié)語(yǔ)距離是很多工程控制中需要檢測(cè)的一個(gè)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(guò)R7和C5來(lái)確定鎖相環(huán)中心頻率參數(shù)，因此，測(cè)距就成為數(shù)據(jù)采集過(guò)程中所必須解決的一個(gè)問(wèn)題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距定位系統(tǒng)成本低廉、元器件購(gòu)買(mǎi)方便、電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且符合嵌入式PC機(jī)數(shù)據(jù)處理的要求，測(cè)量精度高、調(diào)試簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠。開(kāi)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(guò)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(hào)大于25mV時(shí)，信號(hào)輸出端引腳8就會(huì)從高

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

17、04主板有3個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(與8254兼容)，該定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的使用與標(biāo)準(zhǔn)的PC/AT的一樣。8254的每個(gè)通道均由1個(gè)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(gè)定時(shí)器通道的最大分隔率為840ns。超聲波傳感器測(cè)距定位系統(tǒng)軟件控制流程如圖圖3參考文獻(xiàn)：系統(tǒng)軟件流程1瞿金輝，周蓉生超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J中國(guó)儀器儀表，2007（8）：4345.2樊高妮，何永強(qiáng)單片機(jī)AT89C2051在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用J.湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)(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(shí)還把時(shí)間變化量即時(shí)傳送給PC/104。程序開(kāi)始時(shí)的初始化包括定時(shí)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(shí)器?；夭ㄖ袛嘤赏獠恐袛郔SR10觸發(fā)，中斷程序使定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)中斷，得到時(shí)間變化量，從而可得障礙2006.4郭小軍LM567及其在測(cè)距中的應(yīng)用J實(shí)驗(yàn)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(jī)電一體化、智能機(jī)器人的開(kāi)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(jī)公司榮獲“中國(guó)專(zhuān)利山東明星企業(yè)”稱(chēng)號(hào)近日，山東煤機(jī)集團(tuán)萊蕪煤機(jī)公司被山東省科學(xué)技術(shù)廳、山東省知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予“中國(guó)專(zhuān)