內(nèi)容摘要：針對自主移動機器人沿墻導(dǎo)航過程,設(shè)計一種收發(fā)一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統(tǒng)。介紹此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計。實驗總結(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 近點的方法并應(yīng)用于移動機器人自身位姿的矯正,且推廣應(yīng)用于移動機器人的環(huán)境探測。

    移動機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。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現(xiàn)的。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在移動機器人中得到實際應(yīng)用。超聲波傳感器以其性價比高、硬件實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，在移動機器人感知系統(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，主要是因為波束角大、方向性差、測距的不穩(wěn)定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多個超聲波傳感器或采用其他傳感器來補償。為了彌補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)計由一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統(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不考慮波速受溫度的影響);t為發(fā)射到接收的時間間隔。

    由于用超聲波測量距離并不是一個點測量。超聲波傳感器具有一定的擴散特性，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°的擴散角。事實上，式(1)計算度越時間的方式是基于超聲波成功、垂直的反射名義下進行的。但對于移動機器人很難保證其自身運動姿態(tài)的穩(wěn)定性，采用超聲波傳感器固定在移動機器人車身的探測方式，當(dāng)移動機器人偏離平行墻面時，探測系統(tǒng)往往很難得到實際的距離。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際應(yīng)用和推廣。

    本文在通過理論的分析和不斷地試驗的基礎(chǔ)上，采用四相步進電機帶動單個一體式超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)的方式，組成一個動態(tài)的感測系統(tǒng)。

    2 一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統(tǒng)

    2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

    實物照片如圖1所示，超聲波傳感器焊在pcb板上，板子通過鋼管樹起，鋼管另一端和步進電機軸相連，步進電機固定在機器人底盤下方。傳感器控制信號與輸出信號通過信號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。為了機器人自我調(diào)整姿態(tài)，需要確定其自身的轉(zhuǎn)動方向和基準(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個直射式紅外光電傳感器分布如圖2中2個i，ⅱ所示以180°間隔水平安置在機器人小車車身兩側(cè)邊的中點連接線上。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單獨導(dǎo)通作為基準(zhǔn)坐標(biāo)，i，ⅱ同時導(dǎo)通用來判斷旋轉(zhuǎn)方向，ⅱ單通作為機器人沿墻回歸時的導(dǎo)航基準(zhǔn)。

    通過步進電機帶動一體式超聲波傳感器轉(zhuǎn)動，以傳感器中軸垂直于機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)，步進電機采用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。

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