CN105372664A - 一种分布式超声波避障系统及其避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式超声波避障系统及其避障方法，避障系统包含载体、处理器、若干个超声波模块，其中，载体用于装载所述处理器和超声波模块；若干个超声波模块设置在所述载体上，发射方向朝外，且相邻两个模块发射方向之间的夹角均相等；处理器用于计算各个超声波模块方向障碍物的探测距离、并发送避障指令给所述载体。本发明工作时，首先判断障碍物是否在预先设定的避障范围内，然后判断载体在障碍物方向速度是否非负，若为非负，则按照预先设定的步长从当位置随机生成至少两条不经过障碍物区域的路径，按照该路径前进一个步长，然后从当前点沿直线朝终点前进。本发明成本低廉，适应性强，具有较大的实用价值。

Description

一种分布式超声波避障系统及其避障方法

技术领域

本发明涉及导航定位与控制的技术领域，尤其涉及一种分布式超声波避障系统及其避障方法。

背景技术

在智能机器人这个领域中，机器人(包含地面机器人和飞行器)的自主避障功能是衡量其智能化程度的重要指标，也是最基础的方面，自主避障是智能系统中对安全、稳定的一个重要保障，只有具备了自主避障的能力，智能机器人(或飞行器)才能高效地完成其他任务。避障不但要求智能系统可以实时探测到障碍或危险物体，而且还要对与自身的运动相协调，做出合理的路径和任务规划。目前避障的方式多采用雷达扫描仪，其不仅算法复杂，而且成本较高，其在一定程度上限制了其应用，或采用单一的超声波，由于单一的超声笔所测量的广角范围有限，无法做到全方位的测量，势必给机器人避障带来不利的影响。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据接收器接收到超声波时的时间差，从而计算出距离。超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的缺陷，提供一种分布式超声波避障系统及其避障方法，克服了单一超声波传感器对空间信息监测的盲区大、存在幻影干扰等缺点，解决了雷达扫描仪测距存在成本高、算法复杂、计算量大的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种分布式超声波避障系统，包含载体、处理器、若干个超声波模块；

所述载体用于装载所述处理器和超声波模块，并接受所述处理器的指令进行避障；

所述若干个超声波模块设置在所述载体上，其发射方向朝外，且相邻两个超声波模块的发射方向之间的夹角均相等；

所述处理器用于计算各个超声波模块方向障碍物的探测距离、并发送避障指令给所述载体。

作为本发明一种分布式超声波避障系统进一步的优化方案，所述若干个超声波模块呈等六边形分布。

作为本发明一种分布式超声波避障系统进一步的优化方案，所述若干个超声波模块呈等八边形分布。

作为本发明一种分布式超声波避障系统进一步的优化方案，所述处理器采用ATMEGA328模块。

作为本发明一种分布式超声波避障系统进一步的优化方案，所述超声波模块的型号为KS103。

作为本发明一种分布式超声波避障系统进一步的优化方案，所述超声波模块与处理器之间通过I2C接口相连。

本发明还公开了一种基于该分布式超声波避障系统的避障方法，包含以下步骤：

步骤1)，设定起始点和目标位置，生成一条由起始点指向目标位置的直线路径，并将此作为前进路径；

步骤2)，判断载体是否到达目标位置，如果未到达，转向步骤3)，否则说明任务已完成，转向步骤9)；

步骤3)，各个超声波模块探测周围环境，判断障碍物区域，若存在超声波模块探测到障碍物且障碍物与载体之间的距离小于预先设定的避障距离，转向步骤4)，否则转向步骤8)；

步骤4)，计算载体在该方位的运动速度，通过运动速度判断机器人是否在往障碍物区域运动，若计算载体在该方位的运动速度为非负，转向步骤5)，否则转向步骤8)；

步骤5)，生成n条从当前位置出发、方向随机、长度为预先设定的步长的直线路径，并分别判断该n条直线路径沿前进方向的延长线与障碍物区域是否有交集，如果延长线与障碍物区域没有交集的直线路径少于2条，则重新生成路径，直到延长线与障碍物区域没有交集的直线路径大于等于2条，其中，n为大于等于2的自然数，预先设定的步长的长度小于预先设定的避障距离；

步骤6)，在所有延长线与障碍物区域没有交集的直线路径中选择终点距离目标位置长度最小的路径，按照该路径前进，前进距离为所述预先设定的步长；

步骤7)，生成由当前位置指向目标位置的直线路径，并将此作为前进路径，转向步骤8)；

8)，载体按照前进路径前进，转向步骤2)；

9)，载体到达目标位置，停止避障。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.采用分布式超声波避障方式，成本较低，适用性和实用性较强；

2.分布形式多变，可以根据超声波的选型和应用场合选择合理安装位置；

3.采用ATMEGA328处理器，编程简单，易于入门。采用一种随机生成路径的避障策略，可让机器人更稳定，快速地躲避障碍物。

附图说明

图1为本发明超声波的工作原理图；

图2位本发明单个超声波的测量范围示意图；

图3为本发明超声波安装八边形分布图；

图4为本发明超声波安装六边形分布图；

图5为本发明全方位超声波探测范围示意图；

图6为本发明中处理器的连接示意图；

图7为本发明避障方法中路径规划的示意图；

图8为本发明避障方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种分布式超声波避障系统及其避障方法，其中，分布式超声波避障系统包含载体、处理器、若干个超声波模块；

所述载体用于装载所述处理器和超声波模块，并接受所述处理器的指令进行避障；

所述若干个超声波模块设置在所述载体上，其发射方向朝外，且相邻两个超声波模块的发射方向之间的夹角均相等；

所述处理器用于计算各个超声波模块方向障碍物的探测距离、并发送避障指令给所述载体。

处理器采用ATMEGA328模块，超声波模块通过I2C接口与处理器相连，因此可实现一个I2C接口连接若干个超声波模块。

下面的实施例中，载体采用机器人。

超声波模块测距地基本工作原理如下：超声波测距仪装有超声波发射器和接收器，发射器向某一角度发射超声波，并开始记录时间。超声波通过空气这种介质的传递后，如果途中遭遇障碍物便会反射回来，(已知超声波在室温下空气中的传播速度为340m/s)，当接收器接受到反射回来的超声波时，计时结束，假设所用时间为t，则可以计算出障碍物距发射点的距离s为：s＝340*t/2。这就是所谓的时差测距法。工作原理框图见图1。

本发明所选超声波模块的型号为KS103，探测频率可大500Hz，可使用I2C/串口与主机通信，自动响应主机的I2C/串口控制指令，短距测量量程10cm-470cm，工作电压在3.0V-5.5V之间，共有20个可修改的I2C地址，这就意味着主机一个I2C总线最多可挂载20个这种型号的超声波模块。I2C接口通信速率50-100kbit/s，其单个超声波的探测范围可见图2，所需探测距离的不同，其探测的广角也不同。

可根据超声波的测距方位和应用场景，对超声波采用不同的分布。采用KS103型号的超声波，其测量距离最大可达4.7m，最大广角可达60度。

图3、图4给出了两种超声波传感器不同的安装形式分布图，根据所选型号KS103的超声波模块探测图和要实现360度全方位探测功能，若在2m处实现全方位探测，需按照图3方式放置超声波模块，若在1m处实现全方位探测，按照图4方式放置超声波模块。

为了接线方便，简结，可采用简易的共接板，将单片机ATMEGA328上的SCL接口，SDA接口，电源，和GND引到共接板上，分别将每个超声波上的SDA信号线和SCL信号线、电源线、地线连接到对应的接口上，这样就实现了每个超声波上的SDA信号线和SCL信号线并接到单片机ATMEGA328上的SDA接口和SCL接口，并实现了与单片机ATMEGA328的共地，由一块5V电源统一给单片机ATMEGA328和每个超声波供电。

处理器ATMEGA328，结构简单，模块小巧，时钟频率16MHz，具有一个I2C接口，支持外接3.3V-12V直流电源供电。超声波模块采用I2C接口与微处理器ATMEGA328相连，其中Vcc用于连接+5V电源，GND用于连接电源地，SDA引脚是I2C通信的数据线，SCL引脚为I2C通信的时钟线。SCL和SDA线均需要由微处理器ATMEGA328接一个4.7K(阻值1-10K均可)电阻到Vcc，连接图可见图6。KS104默认地址为0xe8，由微处理器ATMEGA328中的一个I2C接口挂载多个超声波模块，必须修改地址，地址范围为以下20个地址：0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,0xe0,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe。并由不同的地址区分超声波模块，图3、4中超声波模块的编号就是根据不同的地址来区分的。

微处理器ATMEGA328根据各个超声波模块传送的数据，将其转换为距离信息，此距离为当前机器人与障碍物之间的距离。每个超声波的模块安装固定，编号唯一，因此又可知障碍物在机器人的相对方位。

分布式超声波的探测范围见下图5，超声波探测到障碍物后会将时间间隔传回到处理器ATMEGA328，处理器会计算出距离。

由于环境的不确定性，当机器人在预定轨迹前进时，如果出现障碍物，此时预定的轨迹已不能满足最优或安全要求，就要求对轨迹进行重规划。本发明提出了一种基于分布式超声波的避障方法，在遇到障碍物时快速绕过该障碍物回归到预定轨迹继续前进。

由超声波的工作原理可知，测量的为相对距离(相对于障碍物)。微处理器ATMEGA328根据各个超声波模块传送的数据，将其转换为距离信息，每个超声波模块安装位置固定，编号唯一，因此可知障碍物在机器人的相对方位和相对距离，由于超声波不能精确到障碍物的具体角度，本发明认定在该超声波广角方位内，均认为是障碍物区域。由机器人距离同一障碍物区域的相对距离，计算出机器人在该方位往障碍物区域方向的速度。若超声波测量的返回距离值在避障距离外，则按照预定轨迹继续前进；反之，则执行避障算法，进行路径重新规划。

基于分布式超声波的避障策略在任务区域内进行路径规划，通过从起始点逐步迭代的增量方式进行临时点的构造来构建路径，类似树的生长。首先是在任务区域内选定起始点和目标终点，生成一条从起始点指向目标终点的直线路径；由分布式超声波探测周围环境，若分布式超声波探测的返回值在避障距离l范围，且在该方位靠近障碍物，则从当前位置随机生成n个步长距离为ε(步长ε需小于设定的避障距离l)的新临时点，由分布式超声波分别探测这延伸的n个新临时点是否跟障碍物区域冲突(生成的新临时点方位是否在超声波探测到的障碍物区域内)，若无冲突接受该新临时点；若新临时点与障碍物区域有冲突，说明该次扩展出的新临时点不符合安全要求，则舍弃该新临时点，至少保证这n个新临时点中有2个新临时点符合安全要求，否则重新按上述方式重新生成新的临时点。所有临时点中选择距离目标终点近的临时点，并称之为临近目标点，按照临近目标点方向前进一个步长，再由临近目标点生成一条由当前点指向目标终点的直线路径；若未探测出障碍物或机器人运动方向在远离障碍物，则继续保持预定轨迹继续前进。通过这样不断的延伸扩展，当到达目标位置时，任务完成。避障方法中路径规划的示意图如图7所示二维空间内基于分布式超声波避障路径规划步骤如下

避障策略具体步骤如下：

步骤1)，设定起始点和目标位置，生成一条由起始点指向目标位置的直线路径，并将此作为前进路径；

步骤2)，判断机器人是否到达目标位置，如果未到达，转向步骤3)，否则说明任务已完成，转向步骤9)；

步骤3)，各个超声波模块探测周围环境，判断障碍物区域，若存在超声波模块探测到障碍物且障碍物与机器人之间的距离之小于预先设定的避障距离l，转向步骤4)，否则转向步骤8)；

步骤4)，计算机器人在该方位的运动速度，通过运动速度判断机器人是否在往障碍物区域运动，若计算机器人在该方位的运动速度为非负，转向步骤5)，否则转向步骤8)；

步骤5)，按照预先设定的步长ε随机生成n条以当前位置为起点、方向随机、长度为ε的路径，并分别判断该n条直线路径沿前进方向的延长线与障碍物区域是否有交集，如果其中延长线与障碍物区域没有交集的直线路径少于2条，则重新生成路径，直到延长线与障碍物区域没有交集的直线路径大于等于2条，n为大于等于2的自然数；

步骤6)，在所有延长线与障碍物区域没有交集的直线路径中选择终点距离目标位置长度最小的路径，按照该路径前进，前进距离为ε；

步骤7)，生成由当前位置指向目标位置的直线路径，并将此作为前进路径，转向步骤8)；

8)，机器人按照前进路径前进，转向步骤2)；

9)，机器人到达目标位置，停止避障。

图8是机器人轨迹规划的总体流程图。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式超声波避障系统，其特征在于，包含载体、处理器、若干个超声波模块；

所述载体用于装载所述处理器和超声波模块，并接受所述处理器的指令进行避障；

所述若干个超声波模块设置在所述载体上，其发射方向朝外，且相邻两个超声波模块的发射方向之间的夹角均相等；

所述处理器用于计算各个超声波模块方向障碍物的探测距离、并发送避障指令给所述载体。

2.根据权利要求1所述的分布式超声波避障系统，其特征在于，所述若干个超声波模块呈等六边形分布。

3.根据权利要求1所述的分布式超声波避障系统，其特征在于，所述若干个超声波模块呈等八边形分布。

4.根据权利要求1所述的分布式超声波避障系统，其特征在于，所述处理器采用ATMEGA328模块。

5.根据权利要求4所述的分布式超声波避障系统，其特征在于，所述超声波模块的型号为KS103。

6.根据权利要求5所述的分布式超声波避障系统，其特征在于，所述超声波模块与处理器之间通过I2C接口相连。

7.基于权利要求1所述的分布式超声波避障系统的避障方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），设定起始点和目标位置，生成一条由起始点指向目标位置的直线路径，并将此作为前进路径；

步骤2），判断载体是否到达目标位置，如果未到达，转向步骤3），否则说明任务已完成，转向步骤9）；

步骤3），各个超声波模块探测周围环境，判断障碍物区域，若存在超声波模块探测到障碍物且障碍物与载体之间的距离小于预先设定的避障距离，转向步骤4），否则转向步骤8）；

步骤4），计算载体在该方位的运动速度，通过运动速度判断机器人是否在往障碍物区域运动，若计算载体在该方位的运动速度为非负，转向步骤5），否则转向步骤8）；

步骤5），生成n条从当前位置出发、方向随机、长度为预先设定的步长的直线路径，并分别判断该n条直线路径沿前进方向的延长线与障碍物区域是否有交集，如果延长线与障碍物区域没有交集的直线路径少于2条，则重新生成路径，直到延长线与障碍物区域没有交集的直线路径大于等于2条，其中，n为大于等于2的自然数，预先设定的步长的长度小于预先设定的避障距离；

步骤6），在所有延长线与障碍物区域没有交集的直线路径中选择终点距离目标位置长度最小的路径，按照该路径前进，前进距离为所述预先设定的步长；

步骤7），生成由当前位置指向目标位置的直线路径，并将此作为前进路径，转向步骤8）；

8），载体按照前进路径前进，转向步骤2）；

9），载体到达目标位置，停止避障。