超聲波的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的設(shè)計(jì)原理

1 引言

在項(xiàng)目開發(fā)中采用從英國進(jìn)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(shí)現(xiàn)也稍有難度， 但該傳感器精度很高可達(dá)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(jī)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(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)中測距是最總要的一環(huán)，它直接影響電機(jī)運(yùn)行距離的精度，在有效范圍內(nèi)的圖像采集控制。整個(gè)系統(tǒng)都是在ARM9 與linux 平臺(tái)中完成，每個(gè)模塊都是用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)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(gè)10us 的脈沖觸發(fā)超聲波傳感器，SRF05 會(huì)發(fā)出8 個(gè)周期的頻率為40khz 的超頻脈沖，此時(shí)在echo 也是就回波口上的電平變?yōu)楦撸藭r(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，等到echo 變?yōu)榈碗娖阶C明有障礙物此時(shí)停止計(jì)時(shí)，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(huì)變?yōu)榈碗娖酱藭r(shí)定時(shí)器的時(shí)間為30ms, 因此在測距時(shí)定時(shí)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(shí)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(gè)難點(diǎn)， 因?yàn)樵贏RM中一個(gè)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(shí)器定時(shí)但無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時(shí)器，從而不能測距， 因此用軟件的方式實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)置兩個(gè)時(shí)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(shí)期計(jì)時(shí)，在設(shè)置一個(gè)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(shí)器讀出值既為脈寬的時(shí)間長度，然后根據(jù)障礙物的距離=(ECHO高電平的時(shí)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.

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利用數(shù)字示波器精確設(shè)計(jì)一個(gè)軟件計(jì)時(shí)函數(shù)usdelay ()，具體實(shí)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(jì)一個(gè)msdelay()用于控制整個(gè)測距周期的時(shí)間值。

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

如下所示。

3.3 超聲波回波檢測的實(shí)現(xiàn)

回波檢測計(jì)算脈寬的時(shí)間需要用到定時(shí)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(shí)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(shí)器的周期為60ms 在這個(gè)時(shí)間段里足以計(jì)算回波時(shí)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(shí)器的周期為60ms 在這個(gè)時(shí)間段里足以計(jì)算回波時(shí)間。

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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(gè)，這樣可以有效地避免干擾，為了提高實(shí)時(shí)性可以控制定時(shí)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(shí)時(shí)要求。

4 機(jī)器人控制的實(shí)現(xiàn)

圖3 為利用超聲波的反饋信息控制機(jī)器人直流電機(jī)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(dòng)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(jī)控制信號(hào)進(jìn)行避障導(dǎo)航。

觸摸屏中的圖形界面中含有機(jī)器人的指令設(shè)置， 可以設(shè)置運(yùn)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(jī)器人模糊算法運(yùn)行軌跡還是使用普通的PID 調(diào)節(jié)， 這使得機(jī)器人有很多種方案可以選擇。

機(jī)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(dāng)前機(jī)器人運(yùn)行的即時(shí)速度來來給出將要運(yùn)行的時(shí)間， 在遇到障礙物時(shí)(0

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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(tái)的移動(dòng)機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了超聲波的測距， 并利用超聲波傳感器控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。該機(jī)器人目前已經(jīng)成功應(yīng)用與本項(xiàng)目的開發(fā)并取得良好的效果。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：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(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡控制， 使得機(jī)器人無論在行走和圖像采集的即時(shí)性上都得到了很大的高。