內(nèi)容摘要：針對自主移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航過程,設(shè)計(jì)一種收發(fā)一體式超聲波傳感器與步進(jìn)電機(jī)組成的探測系統(tǒng)。介紹此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)總結(jié)超聲波波束與目標(biāo)物的入射角大小對測距穩(wěn)定性的影響,提出搜尋離墻 近點(diǎn)的方法并應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人自身位姿的矯正,且推廣應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的環(huán)境探測。

    移動(dòng)機(jī)器人要獲得自主行為，其 重要的任務(wù)之一是獲取關(guān)于環(huán)境的知識(shí)。這是用不同的傳感器測量并從那些測量中提取有意義的信息而實(shí)現(xiàn)的。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在移動(dòng)機(jī)器人中得到實(shí)際應(yīng)用。超聲波傳感器以其性價(jià)比高、硬件實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)機(jī)器人感知系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是超聲波傳感器也存在一定的局限性，主要是因?yàn)椴ㄊ谴蟆⒎较蛐圆睢y距的不穩(wěn)定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多個(gè)超聲波傳感器或采用其他傳感器來補(bǔ)償。為了彌補(bǔ)超聲波傳感器本身的不足，又能提高其獲取環(huán)境信息的能力，本文設(shè)計(jì)由一體式超聲波傳感器與步進(jìn)電機(jī)組成的探測系統(tǒng)。

    1 超聲波傳感器的探測原理及方法分析

    超聲波傳感器的基本原理是發(fā)送(超聲)壓力波包，并測量該波包發(fā)射和回到接收器所占用的時(shí)間。

    其中，l為目標(biāo)距超聲波傳感器的距離;c為超聲波波速(為了簡化說明，本文以下討論的測量距離時(shí)不考慮波速受溫度的影響);t為發(fā)射到接收的時(shí)間間隔。

    由于用超聲波測量距離并不是一個(gè)點(diǎn)測量。超聲波傳感器具有一定的擴(kuò)散特性，發(fā)射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側(cè)呈波浪型衰減，左右約30°的擴(kuò)散角。事實(shí)上，式(1)計(jì)算度越時(shí)間的方式是基于超聲波成功、垂直的反射名義下進(jìn)行的。但對于移動(dòng)機(jī)器人很難保證其自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定性，采用超聲波傳感器固定在移動(dòng)機(jī)器人車身的探測方式，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人偏離平行墻面時(shí)，探測系統(tǒng)往往很難得到實(shí)際的距離。另外，超聲波這種發(fā)散特性在應(yīng)用于測量障礙物的時(shí)候，只能提供目標(biāo)障礙物的距離信息，而不能提供目標(biāo)的方向和邊界信息。這些缺陷都大大限制了超聲波傳感器的實(shí)際應(yīng)用和推廣。

    本文在通過理論的分析和不斷地試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用四相步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)單個(gè)一體式超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)的方式，組成一個(gè)動(dòng)態(tài)的感測系統(tǒng)。

    2 一體式超聲波傳感器與步進(jìn)電機(jī)組成的探測系統(tǒng)

    2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    實(shí)物照片如圖1所示，超聲波傳感器焊在pcb板上，板子通過鋼管樹起，鋼管另一端和步進(jìn)電機(jī)軸相連，步進(jìn)電機(jī)固定在機(jī)器人底盤下方。傳感器控制信號(hào)與輸出信號(hào)通過信號(hào)線和車身上的控制板相連。另外在超聲波傳感器的探頭前加一泡沫材料制成的圓臺(tái)形套筒，上口直徑為22 mm，下口直徑為16 mm，高20 mm。這樣發(fā)射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。為了機(jī)器人自我調(diào)整姿態(tài)，需要確定其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和基準(zhǔn)位置。因而自制一片由直射式紅外光電傳感器和轉(zhuǎn)盤組成的簡易光電編碼器。2個(gè)直射式紅外光電傳感器分布如圖2中2個(gè)i，ⅱ所示以180°間隔水平安置在機(jī)器人小車車身兩側(cè)邊的中點(diǎn)連接線上。轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)臂連接在同心圓上，如圖中外圓所示，1，3刻線間相隔27°;2，1刻線相隔180°，其中1刻線與超聲波傳感器的中心保持在同一水平線上。i單獨(dú)導(dǎo)通作為基準(zhǔn)坐標(biāo)，i，ⅱ同時(shí)導(dǎo)通用來判斷旋轉(zhuǎn)方向，ⅱ單通作為機(jī)器人沿墻回歸時(shí)的導(dǎo)航基準(zhǔn)。

    通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一體式超聲波傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳感器中軸垂直于機(jī)器人車體的方向作為其自身姿態(tài)調(diào)整的坐標(biāo)基準(zhǔn)，步進(jìn)電機(jī)采用4相4拍步距角為1.8°，每轉(zhuǎn)1步，超聲波傳感器檢測1次，將測量值通過串口送上位機(jī)。

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