CN102445694A - 导航机器人障碍探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航机器人障碍探测方法及系统，系统主要由超声探测模块、超声扫描模块、红外探测补偿模块、机器人核心控制模块构成。其中超声探测模块主要由40kHz高压驱动与超声接收信号放大实现。将该模块架于扫描舵机之上，实现正前方无死角180°扫描探测。并结合红外测距实现对导航机器人超声盲区的补偿。驱动电路采用场效应管搭建H桥实现。本发明的导航机器人利用了一对超声探头实现平面多点感测，最远测距范围可至5.9m，探测盲区缩小至2cm。系统具有成本低廉、探测盲区小、抗衍射能力强，实时性好等特点，产业化前景看好。可用于微小型机器人导航、环境探测、智能车主动安全等领域。

Description

导航机器人障碍探测方法及系统

技术领域

本发明属于机器人导航技术领域，涉及一种导航机器人障碍探测方法及系统。

背景技术

主动安全避障是导航机器人基本功能之一，现有多种实现技术：红外技术、机器视觉技术、激光技术、微波雷达技术和超声波技术等。然而，这些技术都是各具特点，红外分辨率最高达1um，测量范围在几十厘米到1米的距离，主要用于近距离障碍的检测。机器视觉技术探测范围广，信息最大，难于区分探测目标和背景。所需的图像计算量很大，系统的实时性较差。激光方向性好，精度与分辨率均很高，但价格昂贵。微波雷达技术利用多普勒(Doppler)原理，检测速度快和灵活性高、自动选频、自适应波形的能力强、分辨率高、价格昂贵，一般用于检测运动物体的距离。超声测距衍射角范围为20°～40°的面探测，一般探测距离0.3-3m左右，分辨率2cm。综上所述，激光和微波传感器的价格昂贵，且激光雷达体积大，较为笨重，安装在小型移动机器人上，会使其丧失灵活性。利用微波的多普勒雷达大多用来躲避快速运动的障碍物。机器视觉技术所需的图像计算量很大，系统的实时性较差，成像的速度不能满足自主移动机器人的应用需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种导航机器人障碍探测方法及系统，本发明的导航机器人障碍探测方法及系统，探测精度高，探测角度大。

发明的技术解决方案如下：

一种导航机器人障碍探测方法，将超声探测模块架于扫描舵机之上，实现正前方的扫描探测；

通过控制PWM波的高电平时间来控制扫描舵机的转角；

为减小测量误差，采用以下方法测量超声波传播时间：利用信号发送至波峰经历的时间，再减去起振点至波峰的时间间隔，得到超声波传播时间间隔，所述的波峰通过回波信号的包络线获得。

解释：超声波信号传播时间为信号发送时间至回波起振点的时间间隔。系统测量时间为信号发送时间至回波信号包络线波峰的时间间隔。由于起振点至包络线波峰的时间间隔相对固定，因此系统测量时间减去起振点至回波包络线波峰的时间间隔，最终将得到相当精度较高的超声波传播时间间隔。

根据超声波信号在标准实验距离(如3米)中传播实验可知，起振点至波峰的时间间隔相对固定，多次标准实验后取实验平均值作为后续实验的起振点至波峰时间间隔。

采用谐振频率为40kHz压电式超声波传感器，其原理是利用压电晶体的谐振来工作，需要其两极输入频率和压电晶片固有谐振频率相同的脉冲电压使其处于工作状态，因此发送超声波信号时需要输入40kHz的方波脉冲信号。具体使用中，也可以采用其他谐振频率的压电式超声波传感器，只要保证输入的方波脉冲信号的频率等于该谐振频率即可。

PWM波的高电平时间在1～2ms之间变动，对应扫描舵机的输出转角在0～180°之间变化。

将5个光电传感器在导航机器人的前端排成扇形阵列用于探测导航机器人的障碍物，相邻的光电传感器之间的夹角为37.5°。

电源通过H桥与导航机器人的驱动电机连接，实现单电源驱动电机的正转和反转。

一种导航机器人障碍探测系统，采用前述的导航机器人障碍探测方法，该导航机器人障碍探测系统包括超声探测模块、超声扫描模块和核心控制模块；超声探测模块与超声扫描模块均与核心控制模块连接；

超声探测模块包括高压驱动信号产生模块和超声波信号接收调整模块；

高压驱动信号产生模块的结构为：变压器的初级线圈接方波信号；变压器的次级线圈输出升压后的信号接超声波发射头；

超声波信号接收调整模块的结构为：超声波信号接收电路的输出信号依次经放大器和A/D转换器与核心控制模块连接；

超声扫描模块包括扫描舵机和用于驱动扫描舵机的PWM驱动电路。

所述的方波信号的频率为40kHz。

所述的放大器由两级运算放大器级联而成。

所述的导航机器人障碍探测系统还包括红外探测补偿模块，红外探测补偿模块包括设置在导航机器人的前端的5个光电传感器，5个光电传感器排成扇形阵列，相邻的光电传感器之间的夹角为37.5°。

有益效果：

本发明导航机器人障碍探测方法及系统，其目的在于提高普通超声探头的探测范围，补偿超声测距的盲区问题，并使回波信号的干扰减小，提高超声测距技术的精度。将超声扫描系统用于小型移动机器人平台，实现自主机器人实时高精度导航。本发明利用40kHz驱动信号产生模块与超声波信号接收调整模块实现普通超声探头的长距离探测。设计超声收发模块驾于扫描舵机之上，达到平面内多点探测的效果，同时减小了回波信号的干扰。在保障机器人平台减速电机的控制精度的同时采用红外与超声技术实现小盲区大范围的探测。

本发明主要包括以下几方面内容：

(1)长距超声探测的实现主要由40kHz高压驱动信号产生模块与超声波信号接收调整模块完成。40kHz驱动信号产生模块是超声测距方案中的关键部分之一，40kHz高压驱动信号由单片机的PWM模块产生占空比为50％的方波，并经由与非门电路产生两路周期相同电平相反的方波，同时利用一路通用I/O控制方波信号的输出，既信号使能端。以上产生的两路方波用以控制两个MOS管控制脉冲变压器初级端绕组的通断，形成推挽输出，以保证变压器初级绕组电能的持续供应，通过初级绕组的40kHz方波信号经过变压器的升压作用，在次级绕组输出峰峰值约为100V的驱动信号。利用此信号来驱动超声波发射头，可将峰峰值为12V的信号，升至峰峰值为108V的信号，并且能确保输出功率足以驱动超声波发射头，电路图如图2所示。超声波信号接收调整模块是将超声波信号遇到障碍物返回超声接收头，这个过程中会引起接收头的共振从而产生共振电压。该信号比较微弱需要经过放大才能用AD进行采样。放大电路采用仪表放大器INA129P进行第一级放大，放大倍数为100倍。信号经过第一级放大后，再输入一个增益可控的仪表放大器PGA202AP进行二级放大，其增益可以利用单片机的I/O控制，可分别设置增益为1/10/100/1000，根据信号的强弱改变增益大小，使信号处理更加灵活，进而提高测距的量程。

(2)主控芯片与驱动电路模块是设计机器人平台控制的核心，小型机器人平台是最小系统板上搭载主控芯片型号是MC9S12DG128。该芯片的特点是价格便宜，有两个外部脉冲累加器，脉冲累加器在工作的时候不需占用芯片资源。机器人平台驱动电路采用场效应管搭建H桥而实现。该驱动电路的优点在于正反驱动力强劲，但由于其反向导通时没有相应的保护措施，所以反向电流较大。增加两种措施防止由于信号延时的问题使得同边上下桥臂同时导通管情况。其一是改善数字电路，减少了PWM口的占用数量，将原先的4路PWM输入简化为两路PWM输入，另外两路则是高低电平性质的Direction控制信号。其二是选择PWM波在低电平时才作为有效控制信号输出。由于主控芯片PWM引脚在无控制信号输出时，默认的悬空电平会接近于高电平，所以，将PWM信号选为低电平有效就不会出现电机在无控制信号时空转的情况出现。图3是加入了数字电路的控制信号端原理图，图4是H桥电路原理图。

(3)设计超声收发模块驾于扫描舵机之上，达到平面内多点探测的效果，同时减小了回波信号的干扰。超声波测距在工作时，射到目标物体上是一个区域，其返回的信号一般仅能表示障碍物最近点的信息，因此它属于点对点测距。如果要获得周围环境的二维信息，通常采用设置多个测距模块形成环形的测距阵列来获得多组信息。如此使收发模块相互干扰程度很大，且成本高，用于移动机器人平台时，其环境信息不能准确反映。提出用单个超声波测距模块驾于平面扫描的舵机之上，测距模块随舵机转轴转动，以达到平面内多点探测的效果。利用舵机的角度细分，可使测距模块在平面内的多个角度测量点对点距离。使得同一平面测量点数远远超过测距阵列；另外，由于在某一时刻只会有一个点在进行超声波测距，再加上对回波数字信号的优化处理，所以基本可以消除回波干扰的问题。

(4)结合红外与超声技术实现更大范围探测，利用红外接近开关将超声波传感器的检测盲区进一步消除，选用5个光电开关传感器。接线参数如下图左，本平台选用的是E3F-DS30C4，NPN型漫反射光电开关，有效监测距离为30cm。利用12V电压驱动，输出电平信号，接入单片机引出的I/O口。经过调试，将5个光电传感器在车前排成扇形阵列，光电开关的发散角较小，经过布局后组成阵列覆盖于车前的150°范围，如图5所示。与扫描舵机之上的超声收发模块相互配合，解决机器人前方检测死角问题。

所以本发明采用红外技术与超声波技术的有机结合，减小了盲区的范围。采用一对超声探头扫描作业，实现平台内全探测，也达到了小型移动机器人便捷安装的需求，同时也满足低成本与实时响应的要求。

本发明的超声探测模块主要由40kHz高压驱动与超声接收信号放大实现。将该模块架于扫描舵机之上，实现正前方无死角180°扫描探测。并结合红外测距实现对导航机器人超声盲区的补偿。机器人本体核心控制芯片选用MC9S12DG128，驱动电路采用场效应管搭建H桥实现。本发明的导航机器人利用了一对超声探头实现平面多点感测，最远测距范围可至5.9m，探测盲区缩小至2cm。系统具有成本低廉、探测盲区小、抗衍射能力强，实时性好等特点，产业化前景看好。可用于微小型机器人导航、环境探测、智能车主动安全等领域。

附图说明

图1是超声测距系统框图

图2是40kHz驱动信号产生模块；

图3是加入了数字电路的控制信号端原理图

图4是H桥电路原理图；

图5是红外光电传感器阵列图；

图6是超声收发驾于扫描舵机的实施过程图；

图7是红外光电开关工作框图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，该探测系统核心部分为40kHz高压驱动信号产生模块和超声波信号接收调整模块的设计：通过初级绕组的40kHz方波信号经过变压器的升压作用，在次级绕组输出峰峰值约为100V的驱动信号，利用此信号来驱动超声波发射头，可将峰峰值为12V的信号，升至峰峰值为108V的信号，保障输出功率驱动超声波发射头；超声接收调整过程中信号比较微弱需经放大才能AD采样，放大电路采用仪表放大器INA129P进行第一级放大，放大倍数为100倍，再经过增益可控仪表放大器PGA202AP进行二级放大，其增益可用单片机的I/O控制，可分别设置增益为1/10/100/1000倍，根据信号的强弱自适应的改变增益大小，使信号处理更加灵活，提高测距的量程。

核心控制器MC9S12 DG128与场效应管搭建H桥驱动电路的设计：DG128芯片节省系统资源，拥有独立的7路PWM波输出口，机器人系统设计中采用两路，其它输出口引出作为搭载超声传感器的伺服电机的控制信号；H桥驱动电路增加两种设计方式，以防止信号延时导致同边上下桥臂的即时导通：其一是加入数字电路，减少了PWM口的占用数量，将原4路PWM输入简化为两路PWM输入，另外两路则是高低电平性质的Direction控制信号；其二是当PWM处于低电平时才作为有效控制信号。

一对探头实现正前方180°无死角平面多点探测，机器人长距超声收发模块驾于扫描反应速度为300°/s舵机之上，实现前方平面多点扫描与探测，此项设计能减小50％的回波信号干扰。

红外传感器补偿超声传感器探测技术的盲区，使微小型导航机器人最远测距范围高达5.9m，最近探测距离缩小至2cm，使得微小型导航机器人系统探测空间得到本质上的提升。

超声感测系统经由单片机的PWM模块产生40kHz控制信号，信号经由脉冲变压器和MOS管组成的功率放大模块发出强功率的超声波信号，发送多个周期(比如10个周期)的脉冲波后，单片机停止发送40kHz信号，同时启动定时器和AD转换模块，等待回波信号。超声波信号遇障碍物后返回经由超声波接收头接收，接收信号经过放大调理后，输入至AD转换模块，回波信号的模数转换信息连同定时器计数器的值被分别存到两个数组中。根据AD转换所得到的值，可得到回波信号的包络线，如此便可以利用包络线得到的其峰值，根据峰值确定其在数组中的位置，而位置数据可以最终在计数器数据数组中得到相对应的时间信息，从而可得到超声波传输间隔时间，进而推算距离值。超声波测距中需要测量的时间间隔为开始发送脉冲到接收器接收回波信号起振间隔，但接收器起振输出信号常常较小，并且稳定性不高。若设置传统阈值触发容易造成较大误差，而波峰出现具有一定稳定性，且相对起振点的位置固定，因此利用信号发送至波峰经历的时间，再减去起振点至波峰点的时间间隔，便可得相对稳定的超声波传播时间间隔。

机器人平台核心控制DG128芯片，通过单片机自带的脉冲计数器模块对电机编码盘处反馈回来的脉冲信号进行收集，但脉冲计数器的值累加到255时会向单片机发出计数器溢出中断。单片机在接到溢出中断时会将计数器中的值自动存储到自带的累加器中，并将计数器的值清0，以便继续计入新的脉冲值。当单片机检测到定时器中断到达后，单片机会读出脉冲累加器中的值，并将累加器的值清零，以便开始进行下一个周期的脉冲计数。机器人平台核心控制DG128芯片，通过单片机自带的脉冲计数器模块对电机编码盘反馈的脉冲信号进行收集，当脉冲计数器值累加到255时会向单片机发出计数器溢出中断。单片机在接到溢出中断时会将计数器中的值自动存储到自带的累加器中，并将计数器值清零，以便继续计入新的脉冲值。当单片机检测到定时器中断到达后，单片机会读出脉冲累加器中的值，并将累加器值清零，以便开始下个周期的脉冲计数。通过电机编码盘线数可得平台驱动轮旋转一圈所对应的脉冲数，结合单位时间内单片机反馈的脉冲数据，再利用单位时间内单片机反馈脉冲与电机编码盘线数的比值，即可得单位时间内驱动轮转动的角度，根据驱动轮的半径即可推算行进距离。

DG128有独立工作的7路PWM波输出口，机器人平台设计中用到其中两路，分别作为左右驱动电机的脉宽调制信号输入。再任选一路作为搭载超声传感器的伺服电机的控制信号。其中电机PWM波频率在1K～2KHz之间，舵机的控制信号则频率不宜过高，以20ms为周期，频率控制在50Hz左右为佳，舵机内部自带有一个基准电路和一个比较器，基准电路产生周期为20ms，宽度1.5ms的基准信号，通过比较器将外加信号与基准信号进行比较，若给定信号小于基准信号在1ms～1.5ms之间变化，舵机的输出转角对应为0～90°，并近似线性关系对应；若给定信号大于基准信号在1.5ms～2ms之间变化，则舵机输出对应转角为90～180°，并近似线性关系对应。所以通过比较给定信号高电平的时间即可判断出舵机对应输出的方向。此处高电平时间分别设为1ms、1.5ms、2ms，分别对应舵机的极左、居中和极右三种状态。伺服电机的响应速度在60°/0.1s左右，能匹配超声波模块收发速度，通过控制舵机左右左摇头运动，可以基本实现本平台所搭载的超声波模块对前方180°范围内零死角扫描。机器人平台驱动电路利用场效应管搭建H桥(H桥介绍：由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉。由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。在此处是用于驱动电机正反转)而实施工作。H桥驱动电路主要利用的是N型场效应管和P型场效应管导通时门极电压反向的特性来搭建上下桥臂，上桥臂选用P型MOS管，中间接通电机，下桥臂则使用N型MOS管，当PWM波到来时，经过数字电路的处理，输入至光电耦合隔离单元将驱动信号放大，再用来驱动电机。

超声收发驾于扫描舵机的实施由两部分组成，超声波测距模块和舵机模块。舵机是直立着安装在移动机器人的前端，而超声波测距模块则是通过一个连接件固定于舵机的转轴上。当舵机转动时，超声波测距模块会随着舵机的转轴转动。舵机属于伺服电机，内部拥有一个电位器反馈电机的转角信息，形成内反馈，从而可以精确地控制舵机的转角，而控制转角需控制PWM波的高电平时间在1～2ms之间变动，对应舵机的输出转角在0～180°之间变化，转角与正脉宽时间成近似线性关系对应。在精确控制转角的同时，舵机还能够对控制指令做出快速反应，它的反应速度一般为0.2s/60°。舵机的旋转角度为180°，如此信息量已可满足避障和路径规划的要求。具体工作过程如下：系统初始化时，舵机偏转回归中值，即正对小车前方，准备进行测距。接着进入测距扫描阶段，在舵机到达程序要求角度位置之后，超声波测距模块开始测距，若在其量程范围内出现回波，则通过测距模块主控单片机的串口模块返回距离值，若没有信号，则返回没有获得障碍物距离信号。系统的上一级处理单元获得测量信号后，完成对信号的存储和处理，同时发出舵机偏转指令，使舵机偏转一定的角度，等待下一次测距信号的返回。如果系统检测到舵机偏转已到某个方向的最大值，系统则会控制舵机朝另一个方向偏转。流程图如图6。

红外光电开关主要功能是对平台前方约150°、30cm范围内的有效障碍物进行检测，只要障碍物有足够的反射面，经过红外光照射，接收管接收到反射信号后会将其转换成为电平信号，再读入单片机I/O口中。通过读取I/O口的返回值，单片机将优先对红外开关的反馈信号做处理，因为在程序编写时，将30cm默认为危险区域，需要优先避障。具体的避障策略为保持原点，左右轮通过差速转向，如图7所示。

Claims (8)

1.一种导航机器人障碍探测方法，其特征在于，将超声探测模块架于扫描舵机之上，实现正前方的扫描探测；

通过控制PWM波的高电平时间来控制扫描舵机的转角；

为减小测量误差，采用以下方法测量超声波传播时间：利用信号发送至波峰经历的时间，再减去起振点至波峰的时间间隔，得到超声波传播时间间隔，所述的波峰通过回波信号的包络线获得。

2.根据权利要求1所述的导航机器人障碍探测方法，其特征在于，PWM波的高电平时间在1～2ms之间变动，对应扫描舵机的输出转角在0～180°之间变化。

3.根据权利要求1所述的导航机器人障碍探测方法，其特征在于，将5个光电传感器在导航机器人的前端排成扇形阵列用于探测导航机器人的障碍物，相邻的光电传感器之间的夹角为37.5°。

4.根据权利要求1所述的导航机器人障碍探测方法，其特征在于，电源通过H桥与导航机器人的驱动电机连接，实现单电源驱动电机的正转和反转。

5.一种导航机器人障碍探测系统，其特征在于，采用权利要求1-2或4任一项所述的导航机器人障碍探测方法，该导航机器人障碍探测系统包括超声探测模块、超声扫描模块和核心控制模块；超声探测模块与超声扫描模块均与核心控制模块连接；

超声探测模块包括高压驱动信号产生模块和超声波信号接收调整模块；

高压驱动信号产生模块的结构为：变压器的初级线圈接方波信号；变压器的次级线圈输出升压后的信号接超声波发射头；

超声波信号接收调整模块的结构为：超声波信号接收电路的输出信号依次经放大器和A/D转换器与核心控制模块连接；

超声扫描模块包括扫描舵机和用于驱动扫描舵机的PWM驱动电路。

6.根据权利要求5所述的导航机器人障碍探测系统，其特征在于，所述的方波信号的频率为40kHz。

7.根据权利要求5所述的导航机器人障碍探测系统，其特征在于，所述的放大器由两级运算放大器级联而成。

8.根据权利要求6-7任一项所述的导航机器人障碍探测系统，其特征在于，还包括红外探测补偿模块，红外探测补偿模块包括设置在导航机器人的前端的5个光电传感器，5个光电传感器排成扇形阵列，相邻的光电传感器之间的夹角为37.5°。

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