机器人多传感器数据采集系统.ppt

机器人非视觉传感器采集系统,引言,在全自主移动机器人系统中，机器人需要实时地采集未知环境中的信息，以完成避障、定位、导航、环境地图绘制等任务，然后进行路径规划等工作。这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。 为了在复杂环境中获取更有效的信息， 移动机器人系统往往安装了种类各异的传感器。目前，各种机器人上常用的有视觉、激光、红外、超声等传感器。激光传感器价格昂贵，而且在室内的结构化环境中存在镜面反射的问题。同时，超声波传感器以其性价比高，硬件实现简单等优点，被广泛地应用到机器人感知系统中。由于视觉信息量巨大，将由专门的嵌入式采集电路进行处理。本系统将只对红外、超声、方位等非视觉传感器的信息进行采集和预处理。,系统硬件结构,整个多传感器数据采集系统的结构如图1 所示。 从图中可以看出，系统由DSP 主控制器、超声波环境探测电路、红外传感器数据采集电路、方位传感器数据采集电路和通讯模块等部分组成。 系统的核心为TMS320LF2407A，主要完成对各种传感器的控制，信号的发射与接收，信息融合及与上位机进行通讯等功能。,系统硬件结构,超声波环境探测电路,超声波探测电路主要由超声波多路选通电路和超声波传感器电路等模块组成。 移动机器人在运动中需要实时地了解环境信息，常常根据实际需要将超声传感器均匀或者有重点地布置在机器人四周，从而构成环境探测系统。 在我们自行研制的全自主机器人中，我们采用16棱柱的结构，将超声波传感器均匀分布在机器人的四周。,超声波环境探测电路,超声测距的原理较简单，一般采用渡越时间法，即： d = Ct / 2 其中d为传感器与被测障碍物之间的距离，C为声波在传播介质中的传播速率。声波在空气中的传输速率为： 其中，为传播介质的绝对温度。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为C为常数。渡越时间法主要是测量超声波从发射到返回之间的时间间隔t，即“渡越时间”，然后根据公式计算距离。,超声波环境探测电路,超声测距传感器一般分为通用型超声传感器和宽带型超声传感器。通用型超声传感器只有一个谐振频率，接收和发射传感器是分开工作的，也就是平时所说的收发异体型传感器。宽带型超声传感器由于具有两个谐振点，所以一个传感器可兼作接收与发射传感器，也就是常说的收发同体型传感器。在我们课题组研制的AIM机器人上应用的是通用型超声传感器。 超声传感器的基本特性有：频率特性和指向特性。,超声波环境探测电路,频率特性 超声发射器的频率特性曲线如图所示。图中，f0为超声发射器的中心频率，在f0处超声发射器所产生的声压能级最高，而在中心频率f0两侧，声压能级迅速衰减。也就是说，当超声发射器工作在中心频率f0附近时，超声传感器的有效探测范围大，声波最强；而在其它频率点处时，要么探测的有效范围缩小，要么难以达到超声接收电路所要求的声压强度。因此，要提高超声传感器的工作灵敏度，一定要使用非常接近中心频率f0的驱动交流电压来进行激励。,超声波环境探测电路,指向特性 除频率特性之外，指向特性也是超声传感器一个很重要的指标之一。实际的超声传感器中压电晶片是一个小圆片，其表面上的每个点都可以看作一个振荡源，辐射出一个半球状的子波。这些子波本身并没有指向特性，但它们迭加衍射后的结果却可以有很强的指向特性，如图所示。从图中可以看到：超声传感器发射的波束是由一个主瓣和多个副瓣组成。其物理意义是：在偏离角（即偏离声波主轴线的角度）时声压最大；随着偏离角的增大，声压逐渐减小。第一个副瓣峰值较主瓣峰值衰减了近30dB，其余的副瓣衰减更大。,超声波环境探测电路,频率特性图,指向特性图,超声波环境探测电路,超声波发射过程是：首先由DSP 控制多路模拟开关，循环启动16路发射电路中的6 路。然后由DSP 的脉宽调制（PWM）通道产生脉宽为25us的40Khz的调制脉冲波，经升压放大电路产生幅度达24V的瞬间高能激励信号，激发超声波换能器产生超声波信号。 在我们自行研制的超声波传感器中，采用MAX232来进行生压放大，产生幅值位24V的方波。 超声波在发射的瞬间，有部分声波会直接进入接收端，从而产生很强的虚假反射波，造成所谓的振铃现象。为了有效地避免振铃现象，需要进行软件延时处理，从而导致所谓的探测“盲区”问题。 在软件上，就是在DSP发射激励脉冲波以后这段时间内将相应的CAP中断关闭，盲区间隔过了以后再将CAP中断打开。,超声波环境探测电路,超声波环境探测电路,超声波的接收部分必须与发射部分协调一致工作，才能保证信号准确灵敏地接收。该部分主要由接收换能器、放大滤波、整形输出等环节组成。由于超声波在传播过程中，能量会随传播距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱（mv 级），需要经过多级信号放大处理。本系统采用了三级放大处理，将信号放大2000倍，然后经整形电路输出。 在我们自行研制的超声波传感器中，采用MC3403分别进行100，10，2三次放大和滤波，来出发超波声换能器。 为了满足多种需要，我们研制的超声波传感器测距范围分为2m和4.5米两种，重复测距精度在1以内，满足一般移动机器人的要求。,红外传感器数据采集电路,如前所述，为解决串扰现象所引入的时间延迟势必会为超声波传感器带来一定的探测盲区。同时，超声波传感器在使用中还存在多次反射等问题。因此我们加入新的传感器以保证探测范围的完整性以及探测信息的正确性。,红外传感器数据采集电路,为了解决超声波传感器的盲区问题，系统加入了红外测障传感器。该模块由16路红外测障传感器组成。将16路红外测障传感器直接接入DSP TMS320LF2407A的数据口，而不使用IO口，这样既可以节约系统资源，又可以同时并行读入16路红外测障传感器的状态，保证了系统的实时性。该红外测障传感器可以在020cm的距离范围内判断出障碍物的有无，很好地弥补了超声波传感器的盲区问题。 为了解决超声波传感器的多次反射问题，我们采用红外测距传感器，简称PSD（Position Sensitive Detector），用于距离测量。 这里不在赘述。,方位传感器数据采集电路,在移动机器人系统中，除了要对环境的距离信息进行测量，有时还要对方位信息进行有效的观测或估计。对于大多数的室内移动机器人系统而言，方位信息一般通过码盘信息间接估计得出，此种方法存在的问题是由于累计误差的存在，造成方位角度的精度无法保证，所以我们在机器人上安装了一种新型的方位传感器，又称电子罗盘。,方位传感器数据采集电路,该方位传感器使用飞利浦公司的KMZ51磁传感器，该磁传感器能够比较精确地检测到地球磁场方向。将两个KMZ51磁传感器按照一定的角度放置，用以计算地球磁场的水平分量方向。方位传感器用一个PWM脉冲宽度来表示地磁场的方向。该脉冲由PIC16F872微处理器的16位计时器产生。PWM的脉宽从1mS(0度）变化到36.99mS（359度）。 在应用中，将PWM脉冲输入DSP的外部中断XINT，通过计算PWM脉冲的宽度，来得到当前的方位。,系统软件描述,系统软件主要由主循环模块、超声回波中断模块、方位传感器中断模块、通讯模块组成。 具体如图所示。,系统软件描述,主循环模块 通过主循环模块，TMS320LF2407对各个传感器进行信息采集。本系统用捕捉中断CAP采集超声波传感器的回波，用定时器T1产生40KHZ的超声波来触发超声波传感器，用定时器T2、T4来计算捕捉到超声波回波的时间，用定时器周期中断T2PR将所有的超声标志位清零，并将没有接收到回波的超声波传感器的值设置为零。用外部中断XINT1来响应方位传感器的PWM脉冲，用定时器T3来计算该脉冲的宽度。在系统等待T2PR中断发生的时候，首先从数据口读入红外测障传感器的状态，并予以保存，然后进行A/D转换，并保存红外测距传感器的值。,系统软件描述,超声回波中断接收模块 利用CAP 和T2PR中断服务程序完成对超声波渡越时间的测量。发射超声波以后， 在定时器预定周期内，只要有回波返回，都会触发一次CAP 中断，此时只需将超声波返回时的定时器计数值记录到相应的数据缓冲区即可；如果是T2PR中断，意味着障碍物距离大于最大超声探测范围，此时没有任何可用的时间记录，将相应的数据缓冲区清零即可。,系统软件描述,方位传感器中断模块 首先将XINT1设置为上升沿中断，XINT1中断发生的时候，T3开始计时，并将XINT1设置为下降沿中断。当XINT1中断再次发生的时候，T3停止计时，并把XINT1设置为上升延中断。如此循环，就能不断地测量出方位传感器的PWM脉冲宽度。,系统软件描述,通讯模块 利用SCI中断服务程序，实现DSP与上位PC机之间的命令字下传和数据上传。,传感器系统与上位机的通讯,传感器系统与上位机的通过串口以查询应答的方式工作进行通讯向串口发送的命令字如下表所示，接受的数据都以55H的数据头开始，数据头后是若干个字节的传感器数据 。 红外：发送00，返回55 ，55为字头，后两个字节代表红外的数据（1代表有障碍，0代表无障碍），第一个字节为高位，第二个字节为低位。 超声：发送0118，返回55 ，55为字头，后两个字节代表超声的数据（表示超声传播的时间），第一个字节为高位，第二个字节为低位。计算公式为：,传感器系统与上位机的通讯,PSD：发送1A1D，返回55 ，55为字头，后两个字节代表PSD的数据，第一个字节为高位，第二个字节为低位。 方位：发送20，返回55 ，55为字头，后两个字节代表方位传感器的数据（表示PWM波的脉宽），第一个字节为高位，第二个字节为低位。计算公式为：对应的实际计数时间(即脉宽)为：T=(y*128)/30000（毫秒）对应角度为：Angle=(T-1)*10 遥控：发送30，返回55 ，55为字头，后两个字节代表遥控的数据（1代表相应位置位），第一个字节为高位，第二个字节为低位。 电源信息：发送31，返回55 ，55为字头，后两个字节代表电源的信息（低位为10表示电源正常，低位10，表示电