CN106933230B - 用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法 - Google Patents

用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法，本发明仅使用超声波传感器就同时实现了避障与跟踪双功能，有效降低了系统成本，采用本发明的控制方法，还可以有效降低超声波传感器之间的噪声干扰，提高传感器的可靠性，并且，本发明所述控制方法逻辑简单，容易实现。

Description

用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别是一种用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法。
背景技术
滚齿是齿形加工方法中生产率较高、应用最广的一种加工方法。在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿轮的原理，相当于一对螺旋齿轮作无侧隙强制性的啮合。滚齿加工的通用性较好,既可加工圆柱齿轮，又能加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧、摆线等齿形；既可加工大模数齿轮，大直径齿轮。滚齿可直接加工8～9级精度齿轮，也可用作7级以上齿轮的粗加工及半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度，但因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刀齿数有限，因而齿面的表面粗糙度较粗。为了提高滚齿的加工精度和齿面质量，宜将粗精滚齿分开。
目前，已有的应用超声波传感器实现目标跟踪的系统，通常采用辅助传感器或无线通讯设备实现移动目标和移动机器人之间的信号同步，进而测量移动目标与移动机器人之间的位置信息。已有的应用超声波传感器实现移动机器人避障功能的系统，通常采用直接控制或简单的延时实现避障超声波传感器之间的相互干扰。现有技术中没有在同一系统中同时实现跟踪与避障，究其原因在于超声波传感器本身噪声大，不易控制，当两种功能同时用超声波传感器实现时，数据的可靠性不可预测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种同时实现跟踪与避障功能的超声波传感器系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法，所述超声波传感器系统中包括三种传感器，分别为：避障用超声波传感器SA、跟踪用超声波传感器ST和用来接收目标信息的超声波传感器SR，所有超声波传感器的最大测距均为S，声速均为V，所述控制方法包括以下步骤：
第一步，信号同步及目标位置计算，具体步骤包括：
a.t1时刻，控制器关闭用来接收目标信息的超声波传感器SR的接收功能，控制用来接收目标信息的超声波传感器SR发送超声波信号，等待Δt时间，开启用来接收目标信息的超声波传感器SR的接收功能；
b.同时开启跟踪用超声波传感器ST的发射、接收功能，跟踪用超声波传感器ST接收到用来接收目标信息的超声波传感器SR的超声波信号后，等待Δt时间，发射超声波信号；
c.用来接收目标信息的超声波传感器SR在接收到跟踪用超声波传感器ST 的超声波信号后，记录当前时间t2；
d.跟踪用超声波传感器ST相对于用来接收目标信息的超声波传感器SR的距离为：
L＝(t2-t1-Δt)×t2
通过多个用来接收目标信息的超声波传感器SR得到的L，可进一步求得跟踪用超声波传感器ST相对于用来接收目标信息的超声波传感器SR的距离与偏角信息，即移动目标相对于移动机器人的位置信息；其中，Δt的取值满足：
Δt≥2S/V
第二步，将移动机器人上安装的避障用超声波传感器SA依次编号为1，2，…， K，再将第一步中计算所得的目标位置与移动机器人中心连线，设距离连线最近的两个避障超声波传感器SA的编号为i，i+1，此时，将跟踪用超声波传感器ST 编号为新的i+1，原来的i+1号跟踪用超声波传感器ST以及后续的跟踪用超声波传感器ST重新编号为i+2，i+3，...，K+1；
第三步，为降低超声波传感器之间的干扰，对1，2，…，K+1编号的超声波传感器采用分组策略控制，具体步骤包括：
a.从i号传感器开始，以连续N个超声波传感器为一组，其中，N≥n，n满足：
将每组中的N个超声波传感器重新依次编号为1，2，3，…...，N；其中，α为相邻两个超声波传感器的安装偏角；θ为超声波传感器的辐射角度；
αi+j为第i号与第j号这两个超声波传感器之间的安装偏角；
b.第一次分组后，将整个探测系统中编号相同的超声波传感器作为一组，重新分组为G1，G2，.....，GN，不考虑超声波的折射时，Gi组的超声波传感器可同时工作而不相互影响；若取N＝n，将使得超声波探测系统的采样频率最高；
c.相邻的Gi组工作之间插入时间间隔Δt，由于超声波传感器最大有效探测距离的限制，传感器发射的超声波将在Δt时间后能量消耗殆尽，避免了不同组之间的超声波干扰；
第四步，完成一次数据采集后，运算跟踪和避障算法，然后跳至第二步循环。
第三步中取N＝n，使得超声波探测系统的采样频率最高，此时，探测系统的工作频率为：
本发明具有如下技术效果：
本发明仅使用超声波传感器就同时实现了避障与跟踪双功能，有效降低了系统成本，采用本发明的控制方法，还可以有效降低超声波传感器之间的噪声干扰，提高传感器的可靠性，并且，本发明所述控制方法逻辑简单，容易实现。
附图说明
图1a为本发明中避障与跟踪用超声波传感器安装示意的侧视图；
图1b为本发明中避障与跟踪用超声波传感器安装示意的俯视图；
图2是避障用超声波传感器编号过程示意图；
图3是将跟踪用超声波传感器动态插入分组示意图；
图4是最终的Gi分组控制策略示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法，所述超声波传感器系统中包括三种传感器，分别为：避障用超声波传感器SA、跟踪用超声波传感器ST和用来接收目标信息的超声波传感器SR，所述控制方法包括以下步骤：
第一步，信号同步及目标位置计算，具体步骤包括：
a.t1时刻，控制器关闭SR接收功能，控制SR发送超声波信号，等待Δt时间，SR开启接收功能；
b.ST发射接收功能同时开启，ST接收到SR的超声波信号后，等待Δt时间，
发射超声波信号；
c.SR在接收到ST的超声波信号后，记录当前时间t2；
d.ST相对于SR的距离为：
L＝(t2-t1-△t)×t2
通过多个SR得到的L，可进一步求得ST相对于SR的距离与偏角信息，即移动目标相对于移动机器人的位置信息；其中，Δt的取值满足：
Δt≥2S/V
第二步，将移动机器人上安装的SA依次编号为1，2，…，K，再将第一步中计算所得的目标位置与移动机器人中心连线，设距离连线最近的两个避障超声波传感器SA的编号为i，i+1，此时，将ST编号为新的i+1，原来的i+1以及后续的传感器重新编号为i+2，i+3，...，K+1；
第三步，为降低超声波传感器之间的干扰，对1，2，…，K+1编号的超声波传感器采用分组策略控制，具体步骤包括：
a.从i号传感器开始，以连续N(N≥n)个超声波传感器为一组，其中n满足：
将每组中的N个超声波传感器重新依次编号为1，2，3，…...，N；其中，α为相邻两个超声波传感器的安装偏角；θ为超声波传感器的辐射角度；αi+j为第i号与第j号这两个超声波传感器之间的安装偏角；
若取N＝n，将使得超声波探测系统的采样频率最高，此时，探测系统的工作频率为：
b.第一次分组后，将整个探测系统中编号相同的超声波传感器作为一组，重新分组为G1,，G2，.....，GN，不考虑超声波的折射时，Gi组的超声波传感器可同时工作而不相互影响；若取N＝n，将使得超声波探测系统的采样频率最高；
c.相邻的Gi组工作之间插入时间间隔Δt，由于超声波传感器最大有效探测距离的限制，传感器发射的超声波将在Δt时间后能量消耗殆尽，可以有效的避免不同组之间的超声波干扰，而不需要考虑超声波的折射反射问题；
第四步，完成一次数据采集后，运算跟踪和避障算法，然后跳至第二步循环。
实施例1
如图1a、1b所示，以一台服务机器人为例，根据用途不同，避障用超声波传感器SA和跟踪用超声波传感器ST安装在不同的水平面上，避障用超声波传感器SA2直接安装在小车1上，跟踪用超声波传感器ST3安装在较高位置，方便人的引导。
本实施例中采用HC-SR04超声波传感器，超声波传感器的辐射角度θ为300，最大有效探测距离S为4000mm，相邻两个超声波传感器的安装偏角α为150。
如图2所示，探测系统中超声波传感器数量为13，并依次编号为1，2，…， 13。
在此实施例中，为避免干扰，第一次分组中，每一组的超声波传感器的最小数量为：
代入参数后求得n为3。
如图3所示，当跟踪用超声波传感器ST3获得目标位置后，通过几何计算司获得跟踪超声波传感器ST对避障用超声波传感器SA的最大影响位置，根据计算结果，目标位置与机器人中心的连线与避障用超声波传感器中的9，10之间穿过，因此，将跟踪用超声波传感器ST编号为10，原来避障用超声波传感器 SA中的10，11，12，13重新编号为11，12，13，14。
根据第三步中的a步骤的原理，从1号传感器开始，以连续N(N≥n)个超声波传感器为一组，取N＝4，将超声波传感器再次编号如图4所示。图中，相同纹理的超声波传感器可同时工作，此时，整套超声波传感器系统相互之间的干扰最小。
根据HC-SR04的最大量程，设当前声速为v＝340m/s，求得:
Δt≥23529us
最后，取Δt＝25ms，在Gi之间插入25ms的延时，此时，探测系统的工作频率为：
本发明可以在多个超声波传感器组成的探测系统中同时实现跟踪与避障，实际应用中，超声波可能因为多次反射形成固定路径，而对辐射角以外的探头产生干扰，但这种情况只发生在传感器位置固定不变的情况下，动态环境下的影响很小，不予考虑。因此，采用本发明的超声波传感器控制方法，可以有效的降低探测系统中超声波传感器之间的相互干扰，使得超声波传感器的测量数据稳定可靠。并且，本发明方法逻辑简单，实现容易。
尽管本发明的内容已经通过上述实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法，其特征在于：所述超声波传感器系统中包括三种传感器，分别为：避障用超声波传感器SA、跟踪用超声波传感器ST和用来接收目标信息的超声波传感器SR，所有超声波传感器的最大测距均为S，超声波的传播速度均为V，所述控制方法包括以下步骤：
第一步，信号同步及目标位置计算，具体步骤包括：
a.t1时刻，控制器关闭用来接收目标信息的超声波传感器SR的接收功能，控制用来接收目标信息的超声波传感器SR发送超声波信号，等待Δt时间，开启用来接收目标信息的超声波传感器SR的接收功能；
b.同时开启跟踪用超声波传感器ST的发射、接收功能，跟踪用超声波传感器ST接收到用来接收目标信息的超声波传感器SR的超声波信号后，等待Δt时间，发射超声波信号；
c.用来接收目标信息的超声波传感器SR在接收到跟踪用超声波传感器ST的超声波信号后，记录当前时间t2；
d.跟踪用超声波传感器ST相对于用来接收目标信息的超声波传感器SR的距离为：
L＝(t2-t1-Δt)×t2
通过多个用来接收目标信息的超声波传感器SR得到的L，可进一步求得跟踪用超声波传感器ST相对于用来接收目标信息的超声波传感器SR的距离与偏角信息，即移动目标相对于移动机器人的位置信息；其中，Δt的取值满足：
Δt≥2S/V
第二步，将移动机器人上安装的避障用超声波传感器SA依次编号为1，2，…，K，再将第一步中计算所得的目标位置与移动机器人中心连线，设距离连线最近的两个避障超声波传感器SA的编号为i，i+1，此时，将跟踪用超声波传感器ST编号为新的i+1，原来的i+1号跟踪用超声波传感器ST以及后续的跟踪用超声波传感器ST重新编号为i+2，i+3，...，K+1；
第三步，为降低超声波传感器之间的干扰，对1，2，…，K+1编号的超声波传感器采用分组策略控制，具体步骤包括：
a.从i号传感器开始，以连续N个超声波传感器为一组，其中，N≥n，n满足：
将每组中的N个超声波传感器重新依次编号为1，2，3，......，N；其中，α为相邻两个超声波传感器的安装偏角；θ为超声波传感器的辐射角度；n为每一组的超声波传感器的最小数量；
αi+j为第i号与第j号这两个超声波传感器之间的安装偏角；
b.第一次分组后，将整个探测系统中编号相同的超声波传感器作为一组，重新分组为G1，G2，.....，GN，不考虑超声波的折射时，Gi组的超声波传感器可同时工作而不相互影响；若取N＝n，将使得超声波探测系统的采样频率最高；
c.相邻的Gi组工作之间插入时间间隔Δt，由于超声波传感器最大有效探测距离的限制，传感器发射的超声波将在Δt时间后能量消耗殆尽，避免了不同组之间的超声波干扰；
第四步，完成一次数据采集后，运算跟踪和避障算法，然后跳至第二步循环。
2.根据权利要求1所述的用于机器人跟踪与避障的超声波传感器系统的控制方法，其特征在于：所述第三步中取N＝n，使得超声波探测系统的采样频率最高，此时，探测系统的工作频率为：
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