超聲波移動機器人導(dǎo)航設(shè)計方法 - 全文

　　摘要： 采用新型的超聲波傳感器，設(shè)計并開發(fā)基于ARM9 與嵌入式linux 為平臺的輪式移動機器人平臺的下的未知環(huán)境的避障導(dǎo)航系統(tǒng)。本文重點介紹該超聲波傳感器的實現(xiàn)原理以及在機器人平臺中的整個軟件實現(xiàn)流程以及控制機器人行走的實現(xiàn)方法。

　　1 引言

　　在項目開發(fā)中采用從英國進口的SRF05 超聲波傳感器，它的回波反饋與測距方式與通常使用的超聲波傳感器相比較特別， 在ARM中實現(xiàn)也稍有難度， 但該傳感器精度很高可達到1cm， 因此用該傳感器去掉了用于近距離測距的紅外測距模塊節(jié)約了硬件資源。

　　該機器人的最小系統(tǒng)為，觸摸屏模塊，超聲波模塊，攝像頭圖像采集模塊，直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，在整個系統(tǒng)中測距是最總要的一環(huán)，它直接影響電機運行距離的精度，在有效范圍內(nèi)的圖像采集控制。整個系統(tǒng)都是在ARM9 與linux 平臺中完成，每個模塊都是用設(shè)備驅(qū)動的方式實現(xiàn)使得模塊的控制更加方便。

　　2 SRF05 超聲波測距方法

　　提供一個10us 的脈沖觸發(fā)超聲波傳感器，SRF05 會發(fā)出8 個周期的頻率為40khz 的超頻脈沖，此時在echo 也是就回波口上的電平變?yōu)楦?，此時定時器開始計時，等到echo 變?yōu)榈碗娖阶C明有障礙物此時停止計時，高脈沖的寬度有測距的距離成正比，該超聲波的有效測距范圍為1cm~4m， 因此如果沒有障礙物或障礙物大于4m，echo 依然會變?yōu)榈碗娖酱藭r定時器的時間為30ms， 因此在測距時定時器的周期應(yīng)大于30ms 這樣才能有效測距。

　　原理如圖1 所示。

　　3 超聲波測距軟件實現(xiàn)

　　如圖2 為超聲波測距的流程圖。

　　3.1 回波檢測的采集方法

　　超聲波的回波的檢測是個難點， 因為在ARM中一個端口設(shè)置中斷只能設(shè)置一種觸發(fā)方式， 如果設(shè)為上升沿觸發(fā)可以打開定時器定時但無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時器，從而不能測距， 因此用軟件的方式實現(xiàn)。首先設(shè)置兩個時間延遲函數(shù)usdelay（）和msdelay（），這樣可以在給出高脈沖10us 后等超聲波觸發(fā)再打開定時期計時，在設(shè)置一個外部中斷eint1 接到超聲波傳感器的echo 口并設(shè)置為下降沿觸發(fā)，等下降沿來臨關(guān)閉定時器讀出值既為脈寬的時間長度，然后根據(jù)障礙物的距離=（ECHO高電平的時間）* 聲納速度/2 得出距離。空氣中v 與溫度關(guān)系：v=331.5√1+T/273 m/s，T 為攝氏溫度。一般情況下超聲波速近似聲速，在室內(nèi)溫度影響下取約343.2m/s.

　　3.2 超聲波觸發(fā)的實現(xiàn)

　　利用數(shù)字示波器精確設(shè)計一個軟件計時函數(shù)usdelay （），具體實現(xiàn)如下。

　　則usdelay（1）既為10us，該函數(shù)用于在給出激發(fā)高脈沖后延續(xù)10us 然后關(guān)脈沖。

　　還要設(shè)計一個msdelay（）用于控制整個測距周期的時間值。

　　msdelay（1000）在主函數(shù)數(shù)中用于延遲1s，這樣定時器可以完全有足夠的回波檢測時間同時也不會對其它三路超聲波信號造成干擾。

　　如下所示。

　　3.3 超聲波回波檢測的實現(xiàn)

　　回波檢測計算脈寬的時間需要用到定時器和外部中斷，外部中斷接超聲波的echo 并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。定時器的初始化如下。

　　rTCFG0=0x9595; //預(yù)分頻值為95

　　rTCFG1=0x00000; //分割值1/2

　　rTCNTB0=10000; /

　　根據(jù)T=［TCNTB0*（TCFG0+1）*（1/TCFG1）］/50MHZ 得出定時器的周期為60ms 在這個時間段里足以計算回波時間。

　　外部中斷1 初始化如下

　　rGPFCON=0xaa; //GPF1 設(shè)置為EINT1

　　rINTMOD=0x0; //設(shè)置為普通中斷

　　rGPFUP=0xf; //禁止GPF0 上拉電阻

　　pISR_EINT1=（unsigned）Eint1Handler; //建立中斷向量

　　EnableIrq（BIT_EINT1）； //使能中斷

　　rEXTINT0 =0x492; // EINT1 下降沿觸發(fā)

　　根據(jù)T=［TCNTB0*（TCFG0+1）*（1/TCFG1）］/50MHZ 得出定時器的周期為60ms 在這個時間段里足以計算回波時間。

　　3.4 在外部中斷中計算機距離

　　3.5 循環(huán)控制與輪詢測距

　　由于超聲波之間有干擾，采用輪詢的方式依次打開超聲波，每次只測一個，這樣可以有效地避免干擾，為了提高實時性可以控制定時器周期，比如設(shè)置為35ms，這樣四路超聲波輪詢一次大約為140ms，足以滿足實時要求。

　　4 機器人控制的實現(xiàn)

　　圖3 為利用超聲波的反饋信息控制機器人直流電機閉環(huán)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

　　linux 系統(tǒng)中超聲波傳感器為只讀的字符設(shè)備，具體應(yīng)用為在應(yīng)用程序下打開超聲波設(shè)備，然后在驅(qū)動中測距，測得的數(shù)據(jù)傳到應(yīng)用程序，應(yīng)用程序中有超聲波的避障算法，根據(jù)算法判斷障礙物的位置給直流電機控制信號進行避障導(dǎo)航。

　　觸摸屏中的圖形界面中含有機器人的指令設(shè)置， 可以設(shè)置運行速度，圖像采集與超聲波模塊的打開與關(guān)閉，是否開啟機器人模糊算法運行軌跡還是使用普通的PID 調(diào)節(jié)， 這使得機器人有很多種方案可以選擇。

　　機器人的每一次行為都是根據(jù)超聲波傳感器測得的值和當前機器人運行的即時速度來來給出將要運行的時間， 在遇到障礙物時（0《t《30us 等于30 微秒時達到超聲波的最大探測距離）， 開啟攝像頭圖像采集模塊， 這時攝像頭會拍下障礙物的圖像，并利用無線MODEM把圖像傳回控制電腦，這樣用戶就可以知道前方是什么障礙物， 該系統(tǒng)實現(xiàn)了移動機器人的自主避障和采集障礙物信息的作用，可以用來探測未知環(huán)境。

　　5 結(jié)論

　　本文采用新型的超聲波傳感器，在ARM9 與嵌入式linux 為平臺的移動機器人上實現(xiàn)了超聲波的測距， 并利用超聲波傳感器控制運動系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。該機器人目前已經(jīng)成功應(yīng)用與本項目的開發(fā)并取得良好的效果。

　　本文創(chuàng)新點：采用一種精度高的新型超聲波傳感器，用軟件方法克服了它在ARM9 中不利于檢測回波的問題，成功應(yīng)用于移動機器人的運行軌跡控制， 使得機器人無論在行走和圖像采集的即時性上都得到了很大的高。