智能移动机器人超声波测距定位系统的研究

1、第30卷第8期2009年8月煤矿机械CoalMineMachineryAug.2009智能移动机器人超声波测距定位系统的研究韩军1，常瑞丽2，陈志灵3（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010；2.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010；3.西安理工大学机仪学院，西安710048）摘要：移动机器人技术是机器人研究领域的一个重要分支，为了赋予机器人智能控制和自主导航的能力，解决机器人开发过程存在着成本高、功耗大等问题，研究设计了一套基于超声波传感器的智能移动机器人测距定位系统，同时使机器人具有报警、避障及定位等功能。关键词：智能移动机器人；测距定位；超声波传感器中图分类

2、号：TP242.6文献标志码：A文章编号：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，结合式（11）可以看出：车轮半径r仅仅是影响4结语头部垂直越障最大高

5、度的一小部分。提出了一种用于煤矿救援的虾形六轮移动机器人，并对其头部车轮垂直越障性能进行了理论分析，得到了机器人头部可越过垂直台阶高度与机器人结构参数和摩擦系数之间的定量关系，车轮半径仅仅是影响头部垂直越障最大高度的一小部分。并制作了仿真模型和实验模型分别进行仿真验证和实验验证，结果均表明：虾形六轮移动机器人头部车轮垂直越障性能理论分析模型是正确的。参考文献：1王忠民，刘军，窦智，等.矿难救援机器人的研究应用现状与开发J.煤矿机械，2007，27（11）：6-8.2董晓坡，王绪本.救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用J.防灾减灾工程学报，2007，27（1）：1-7.3魏娟，贾广利，马宏伟.

6、煤矿救援机器人虚拟样机仿真分析J.机械科学与技术，2008，27（11）：1369-1373.4邓宗全，张朋，胡明，等.轮式行星探测车移动系统研究状况综述及发展态势J.机械设计，2008，25（1）：1-5.5李翠兰，马培荪，高雪官.一种新型的可被动适应崎岖表面的六轮月球漫游车J.传动技术，2005，19（1）：9-13.6曹冲振、王凤芹、张华宇，等.虾形六轮移动机器人P：中国，3仿真和实验验证（1）仿真验证为了验证上述头部垂直越障最大高度分析模型的正确性，用机械系统动力学仿真软件Adams仿真头部垂直越障过程，得到的结果与其对比。将图1所示实体模型从软件UnigraphicsNX中以*.x_

7、t格式导入到仿真软件ADAMS中，进行必要的前期处理。仿真结果是头部车轮最大越障高度为239.5mm。对比理论计算和仿真结果可以看出理论计算的越障高度虽小于仿真的越障高度，但差别不大，误差的原因可能是：头部各杆、车轮及驱动电机所受重力G1的作用点设在车轮中心将引起理论结果偏小；测定重力G2的作用点时由于测量方法会引入误差，同时理论计算忽略了腹部结构在越障过程中由于变形而引起重力作用点的移动；尾部重力G3作用点在尾部轮中心的假定。（2）实验验证实验样机轮径为110mm，通过调整实验台2部分的相对位置来改变台阶的高度，最后确定头部越障的最大高度可以达到229mm（机器人整体能够顺利越过台阶的高度为

8、220mm），此结果与分析模型得到的结果、仿真验证的结果比较接近，从而验证了头部垂直越障分析模型的正确性。200810139146.9，2008-08-08.作者简介：曹冲振（1975），山东临沂人，2005年于上海交通大学机械与动力工程学院获博士学位，现工作于山东科技大学机械与电子工程学院，副教授，主要研究方向为自动化技术、特种机器人，获省部级科技进步奖3项，授权专利8项，发表学术论文21篇，其中SCI收录2篇，EI收录11篇，电子信箱：caochongzhen.收稿日期：2009022666引言超声波传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声音信号或者将外界声场中的声音信号转换为电信号

9、的能量转换器件。超声波是一种频率超过20kHz的机械波，它沿直线传播、方向性好、传播距离比较远，不同物质交界面上传播时会产生反射波。由于超声波具有以上这些特点，被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。另外，由于超声波传感器结构简单、体积小、成本低廉，通过信息融合可以准确反映外部环境，因而在实验型和应用型智能移动机器人中获得了广泛的应用。1超声波传感器测距原理在实际工程中测距的方式多种多样，如激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等，其中超声波测距简单可行，被广泛采用。目前超声波测距电路有很多，甚至市场上已有专用超声波测距集成电路出售，但这些电路有的较为复杂、技术难度大、调试困难，有的

10、元器件不易购买。本文设计的超声波测距定位系统简单易行、成本低廉、所用元器件容易购买、性能可靠。超声波测距通常采用度越时间法，即被测物体的距离（1）S=vt/2采用555定时器构成的多谐振荡器来驱动电路，其振荡频率f主要由电阻R1、R2、R3和电容C1的参数及电源电压来决定，其中当R1、R3和C1固定时，改变电位器R2的阻值就可改变振荡频率。振荡频率1yf=1=（1231输出脉冲的占空比为（4）q=R1+R2+2R3（5）555构成的多谐振荡器输出的40kHz方波信号经过OTL(无输出变压器的功率放大电路)电路来进行功率放大，用一个电容作为输出耦合电容取代变压器，而在一般情况下功率放大电路的负载

11、电流很大，电容值要选上千微法。但并不是电容值越大越好，当电容增大到一定程度时，由于2个极板面积很大，电容的漏阻和电感效应增强，使电路工作频率下降。另外，OTL电路采用单电源供电，由移动机器人12V主电源供电即可。三极管选择型号为9013型NPN三极管和9012型PNP三极管，以增强超声波发射的能量、功率和测量精度。（2）超声波接收电路超声波接收电路主要由接收换能器、功率放大电路、比较及控制等环节组成。当超声波遇到障碍物返回时，超声波接收传感器T/R40-16接收，由于回波电压的数量级在毫伏量级，并且在距离较远的情况下，回波更弱，因而必须将信号放大。如图2所示，设计中采用高速精密放大器LM318

12、，其带宽为v=331.4姨=343m/s式中超声波的往返时间间隔；t速度；v环境温度。T（2）在测量精度要求较高的场合必须考虑环境温度的影响，但在一般情况下，可取常温，再由软件进行调整补偿。测量误差（3）1=vt+tv式中t时间测量误差；声速误差。v2超声波收发电路的设计（1）超声波发射电路超声波的发射电路如图1所示，电路由LM555定时器构成40kHz的多谐振荡器。LM555第3引脚输出端经过功率放大后驱动超声波传感器T/R40-16，使之发射出超声波信号。电路工作电压12V，工作电流4050mA，发射超声波信号大于5m。R11.5kPA6C10.033F+12VR25kR3RSTVCC47

13、0THRCOVLTDISCC3C2TRIG0.01FGNDOUT0.1FLM555J+12VQ19013C4LS15M，第1级放大50倍，第2级电路接可变电阻，理论放大倍数150倍，这样2级放大倍数最大可达到2500倍，能充分满足因为较远距离传播而变得相当微弱的信号得到足够增益。然后由LM567（音频检测器芯片）来完成信号的滤波、检波、选频等功能。R650kVCCR4+5VC22-+5VC11k247k1000F6-6VCCIN20k+LM318+R8OUTFILT33LM318LS2（左）R1-5V1000PF-5VLOOPFILTTIMCAPR5R3C3TIMRESR7C420k20kGN

14、D1FOUT20kTR40_R1FLM567H(音频检测器)CR21M5输入信号12200PF图2超声波接收电路在LM567电路中，引脚1接电容C3到地，容量可在0.4722F选取，电容量越大，抗干扰性能越好，但反应速度会越慢；引脚2接一个锁相环滤波电容C4，该电容直接影响锁相环接收器的接收带宽。C4的容量与输入信号端3的电压和接收带宽之Q21000FTR40T9012图1超声波发射电路67间的关系为BW=1070姨IN4，从中可看出信号越强、接收器接收的带宽越宽，另外为了不损坏器件，应对输入信号的幅值加以限制，所以接耦合电容物与机器人之间的距离，并判断距离是否在危险范围内，如果是，则机器人紧

15、急停止，返回主程序。4结语距离是很多工程控制中需要检测的一个重要C2；在引脚5和引脚6之间接可变电阻R7，引脚6和引脚7之间接C5，这样就可以通过R7和C5来确定锁相环中心频率参数，因此，测距就成为数据采集过程中所必须解决的一个问题。经实验证明，本文设计的超声波测距定位系统成本低廉、元器件购买方便、电路实现简单，并且符合嵌入式PC机数据处理的要求，测量精度高、调试简单、工作稳定可靠。开始并口初始化并口端RST端置零，T0产生1ms中断返回主程序(6)1.1R7C5由式(6)可知，可通过调节R7和C5的大小将中f0=心频率f0锁在40kHz。这样当输入信号大于25mV时，信号输出端引脚8就会从高

16、电平跃变为低电平，通过并口送到CPU处理，在端出端接一上拉电阻，可以让输出信号稳定在5V。从超声波发射到接收在空气中传播的时间可以由定时/计数器计算出，再由CPU处理后送入控制器，从而控制移动机器人的运动状态。就像人眼睛的一部分，让移动机器人具有准确识别障碍物的能力。并口输出低电平，电机停止是驱动模块处理RST置1，开始发射中断次数计数延时2ms停止发射，开外部中断ISR10延时15ms等待ISR10中断恢复中断ISR10否在危险范围内吗？3超声波测距定位系统软件设计超声波测距的实现就是时差数据的采集过程。设否计算距离是有回波信号吗？计中智能移动机器人嵌入式PC选择的是PC/104，而PC/1

17、04主板有3个可编程的定时器/计数器(与8254兼容)，该定时器/计数器的使用与标准的PC/AT的一样。8254的每个通道均由1个1.190MHz的振荡器产生，该振荡器以与标准PC兼容的方式，由内部往下分频从而提供各种频率。每个定时器通道的最大分隔率为840ns。超声波传感器测距定位系统软件控制流程如图图3参考文献：系统软件流程1瞿金辉，周蓉生超声波测距系统的设计J中国仪器仪表，2007（8）：4345.2樊高妮，何永强单片机AT89C2051在超声波测距系统中的应用J.湖南文理学院学报(自然科学版)，2006，18（1）：6769.3阎石数字电子技术基础M4版.北京：高等教育出版社，3所示，

18、该模块主要完成3通道超声波数据的循环采集处理，同时还把时间变化量即时传送给PC/104。程序开始时的初始化包括定时器T0和PC/104外部中断ISR10的初始化。置为工作方式1，构成16位定时器。回波中断由外部中断ISR10触发，中断程序使定时器实现定时中断，得到时间变化量，从而可得障碍2006.4郭小军LM567及其在测距中的应用J实验室研究与探索，2007（10）：2223.作者介绍：韩军（1977-)，甘肃金昌人，硕士，讲师，主要从事机电一体化、智能机器人的开发与研究工作，电子信箱：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莱芜煤机公司荣获“中国专利山东明星企业”称号近日，山东煤机集团莱芜煤机公司被山东省科学技术厅、山东省知识产权局授予“中国专