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基于超聲波傳感器的全向移動平臺的沿墻控制 針對沿墻自主導航， 搭建一種由全向輪、 步進電機、 超聲波傳感器以及 ５２ 單片機組成的全向移動平臺， 分析了其運動特性。 進行了全向移動平臺自主沿墻導航系統(tǒng)的硬件設(shè)計， 提出了一種全動和差動相結(jié)合的沿墻控制策略。 實驗結(jié)果證明： 該控制策略能有效實現(xiàn)自主精確沿墻導航， 為全向移動平臺的沿墻導航控制提供了一種方法。 ０ 前言 沿墻導航是指機器人沿著墻壁的輪廓行走， 保持與墻壁一定的距離， 且不發(fā)生碰撞現(xiàn)象［１］。 沿墻導航在許多領(lǐng)域得到了應用， 如室內(nèi)清掃機器人、 老人服務機器人、 ＡＧＶ 小車、 滅火機器人等。 沿墻走是機器人借助環(huán)境進行自主導航的方法之一， 其關(guān)鍵在于如何獲取環(huán)境知識， 這就需要借助機器人外部傳感器。 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用［２］。 但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)中得到了廣泛的應用［３］。 郭小勤等［１，３－４］ 對普通差動輪式機器人做了沿墻走研究， 并通過實驗較好地實現(xiàn)了接近式沿墻走效果。 但對于普通的輪式移動機構(gòu)， 轉(zhuǎn)彎都需要一定的旋轉(zhuǎn)半徑， 在狹小的空間常因無法橫向移動而失去作用， 這在一定程度上就限制了輪式機器人的使用［５］。全向移動機構(gòu)特別適合移動空間狹小、 需要經(jīng)常轉(zhuǎn)彎、 行走距離較短或需要橫向移動的場合。 １ 全向移動平臺底盤設(shè)計 由于全向輪圓周由多個小輥子組成， 輥子的軸線與輪子的圓周相切， 并能自由旋轉(zhuǎn)， 這樣的結(jié)構(gòu)使得全向輪具備 ３ 個自由度： 繞輪軸的轉(zhuǎn)動、 饒輥子軸線的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂直方向的平動 （也即和普通輪子相比具有側(cè)滑功能）。 ２ 全向移動平臺運動方式 全向移動平臺工作空間為一平面， 如圖 ２ （ａ）所示， 以 ４ 個輪子的軸線分別為 ｘ、 ｙ 軸， 以 ４ 個輪子的軸線交點也即該全向移動平臺的幾何中心為原點， 建立平面直角坐標系。 ３ 全向移動平臺自主沿墻導航系統(tǒng)硬件設(shè)計 如圖 ３ 所示系統(tǒng)主要由 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機、 ２ 路超聲波電路以及 ４ 個電機驅(qū)動電路組成。 系統(tǒng)采用低功耗、 抗干擾性強、 高性能的 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機作為系統(tǒng)的主控制器， 接受 ２ 路超聲波傳感器測量到的與障礙物之間的距離信號， 通過自主沿墻導航算法發(fā)出指令給電機驅(qū)動電路， 驅(qū)動全向移動平臺自主沿墻導航。 ３.２ 控制系統(tǒng) 如圖 ４ 所示， 控制系統(tǒng)主要由 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機、 時鐘電路、 復位電路組成。 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機具有抗干擾性能強、 速度快、 功耗低和指令代碼完全兼容 ８０５１ 單片機等特點［６］。 時鐘電路采用內(nèi)部時鐘方式， 通過 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機的 ＸＴＡＬ１ 和 ＸＴＡＬ２ 引腳外接石英晶體和和兩個微調(diào)電容來實現(xiàn)。 復位電路采用上電自動復位和按鍵復位的方式。
３.３ 超聲波測距電路 超聲波測距電路用于測試與障礙物的距離。 一般的超聲波模塊的有效距離不足 ５ ｍ［７］， ＫＳｌ０３ 超聲波傳感器帶溫度補償功能， 測量精度高， 使用溫度修正的測距命令， 直接輸出距離 （單位為 ｍｍ）， 近距離內(nèi)最高精度達 １ ｍｍ； 測量盲區(qū)最小至 １ ｃｍ， 最大量程可達 １１ ｍ， 基本無盲區(qū)； 使用 Ｉ２Ｃ 接口與主機通信， 自動響應主機的 Ｉ２Ｃ 控制指令； 省電模式： 具有自動休眠功能， 模塊在 ５ ｓ 內(nèi)未收到主機指令自動進入休 眠 狀 態(tài)， 隨 時 被 主 機 Ｉ２Ｃ 控 制 指 令 喚 醒［８］。ＫＳｌ０３ 支持溫度修正的距離探測及溫度探測， 測量距離大， 在 Ｉ２Ｃ 模式下， 一條 Ｉ２Ｃ 總線或一對 ＩＯ 口可以接 ２０ 個 ＫＳ１０３， 故采用 ＫＳｌ０３ 超聲波測距。 在 ＫＳ１０３ 測距模塊上連線引腳上標識有： ＶＣＣ、ＳＤＡ／ ＴＸ （簡稱 ＳＤＡ）、 ＳＣＬ／ ＲＸ （簡稱 ＳＣＬ）、 ＧＮＤ、ＭＯＤＥ。 ＭＯＤＥ 引腳懸空時， ＫＳ１０３ 工作于 Ｉ２Ｃ 模式，其中 ＶＣＣ 用于連接＋５ Ｖ （３ ０～ ５ ５ Ｖ 范圍均可） 電源， ＧＮＤ 用于連接電源地， ＳＤＡ／ ＴＸ 是 Ｉ２Ｃ 通信的數(shù)據(jù)線， ＳＣＬ／ ＲＸ 引腳是 Ｉ２Ｃ 通信的時鐘線。 ＳＣＬ 及ＳＤＡ 線均需要由主機接一個 ４ ７ ｋΩ （阻值 １ ～ １０ ｋΩ均可） 電阻到 ＶＣＣ。 單片機的 Ｐ３５、 Ｐ３６ 引腳分別作為 Ｉ２Ｃ 通信的時鐘線 ＳＣＬ 和數(shù)據(jù)線 ＳＤＡ 與 ＫＳ１０３ 測距模塊的 ＳＣＬ 及 ＳＤＡ 引腳相連， 接口電路如圖５所示。
圖 ５ 超聲波傳感器與單片機接口電路 ＫＳ１０３ 測距模塊數(shù)據(jù)包括距離、 往返時間以及溫度， 單片機通過 Ｉ２Ｃ 總線向 ＫＳ１０３ 模塊寄存器 ０ｘ０２寫 ８ 位探測指令 ０ｘｂｃ （該指令探測距離為 ０ ～ １１ ｍ，帶溫度補償）， 等待轉(zhuǎn)換時間到， 讀取 ＫＳ１０３ 模塊的０ｘ０２、 ０ｘ０３ 寄存器中的 １６ 位距離測量值［９］，其單位為 ｍｍ。 ３.４ 步進電機驅(qū)動電路 步進電機采用工作電壓為 １２～２４ Ｖ， 額定相電流為 １. ６５ Ａ， 步距角為 １ ８°， 扭矩為 ０ ５５ Ｎ· ｍ 的兩相四線混合式大扭矩 ４２ 系列步進電機。 步進電機驅(qū)動芯片采用 Ａ４９８８， Ａ４９８８ 是一款完全的微步電動機驅(qū)動器， 可以以全、 半、 １／ ４、 １／ ８ 及 １／ １６ 步進模式驅(qū)動兩相步進電機， 輸出驅(qū)動性能可達 ３５ Ｖ 及±２ Ａ，為系統(tǒng)步進電機提供了足夠的驅(qū)動功率［１０］。 Ａ４９８８帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器， 操作簡便， 只需在步進端口輸入一個脈沖即可驅(qū)動電動機產(chǎn)生微步， 無需相序表、 高頻控制線或復雜接口［１１］。 Ａ４９８８ 步進電機驅(qū)動芯片主要端口有 ＥＮＡＢＬＥ、ＤＩＲ、 ＳＴＥＰ、 ＭＳ１、 ＭＳ２、 ＭＳ３。 ＥＮＡＢＬＥ 端口可以使用單片機端口控制， 也可以直接連接 ＧＮＤ 使能。 ＥＮ⁃ＡＢＬＥ 端口輸入高電平時， 電機不轉(zhuǎn)， 輸入低電平時， 電機轉(zhuǎn)動。 在 ＳＴＥＰ 引腳輸入一個脈沖， 即可驅(qū)動步進電動機產(chǎn)生微步， 設(shè)置脈沖的頻率， 可控制步進電機旋轉(zhuǎn)速度。 ＭＳ１、 ＭＳ２、 ＭＳ３ 按照表 １ 分別接高低電平來設(shè)置步進模式， 從而選擇不同的步距角和激勵方式［１０］。 ＤＩＲ 端口輸入高電平時， 步進電機順時針旋轉(zhuǎn)， 輸入低電平時， 步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)。Ａ４９８８ 電機 驅(qū) 動 芯 片 與 單 片 機 的 接 口 電 路 如 圖 ６所示。 單片機的 Ｐ００－Ｐ０５ 口同時與 ４ 個步進電機驅(qū)動芯片 Ａ４９８８ 的 １～ ６ 號輸入端口相連， 控制步進電機的使能、 步進角以及激勵方式等。 單片機的的 Ｐ２ 口分別與 Ａ４９８８ 的 ＳＴＥＰ、 ＤＩＲ 端口相連， 控制步進電機的速度和方向。 ４ 個步進電機驅(qū)動芯片 Ａ４９８８ 的輸出端 １Ａ 與 １Ｂ 分別接步進電機同相的兩端， 輸出端２Ａ 與 ２Ｂ 分別接步進電機另一相的兩端。 ４ 沿墻導航控制策略 為了直觀地闡明沿墻走控制策略， 可以以直線墻為例， 如圖 ７ 所示， 期望的全向移動平臺能沿著距離墻 ４００ ｍｍ 距離 （距離值大小可調(diào)） 的直線墻行走。按全向移動平臺中心線與預期的直線路徑的位置可以分五類情況。 第一類情況如圖 ７ （ａ） 所示， 全向移動平臺的中心線與預期的直線路徑完全重合， 超聲波傳感器 １ 測距＝超聲波傳感器 ２ 測距 ＝ 設(shè)定距離， 則不需要調(diào)整， 全向移動平臺直線前進。 第二類情況如圖 ７ （ｂ） 所示， 移動平臺中心線向左偏離且與預期的直線路徑相交， 超聲波傳感器 １ 測距＜設(shè)定距離，且超聲波傳感器 ２ 測距＞設(shè)定距離， 則控制全向移動平臺右轉(zhuǎn)。 第三類情況如圖 ７ （ｃ） 所示， 移動平臺中心線向右偏離且與預期的直線路徑相交， 超聲波傳感器 １ 測距＞設(shè)定距離， 且超聲波傳感器 ２ 測距＜設(shè)定距離， 則控制全向移動平臺左轉(zhuǎn)。 第四類情況如圖７ （ｄ）所示， 移動平臺中心線向左偏離且與預期的直線路徑平行， 超聲波傳感器 １ 測距 ＝ 超聲波傳感器 ２測距＜設(shè)定距離， 則控制全向移動平臺右移。 第五類情況如圖 ７ （ｅ） 所示， 移動平臺中心線向右偏離且與預期的直線路徑平行， 超聲波傳感器 １ 測距 ＝ 超聲波傳感器 ２ 測距＞設(shè)定距離， 則控制全向移動平臺左移。 對于第一類直線前進情況， 采用差動的行走方式， １、 ３ 號車輪不轉(zhuǎn)， ２、 ４ 號車輪轉(zhuǎn)， 這樣不僅可以節(jié)省能耗而且相比全動直線行走方式走的直線更直。 對于第二類右轉(zhuǎn)和第三類左轉(zhuǎn)情況采用全動方式， 充分發(fā)揮全動方式的優(yōu)點， 右轉(zhuǎn)、 左轉(zhuǎn)時可以繞全向移動平臺的幾何中心旋轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)彎半徑小； 對于第四類右移、 第五類左移也采用差動方式， ２、 ４ 號車輪不轉(zhuǎn)， １、 ３ 號車輪轉(zhuǎn)， 可以使得全向移動平臺直接橫向移動到預期的路徑上來， 調(diào)整快。
圖 ７ 全向移動平臺沿墻走策略 ５ 實驗結(jié)果 全向移動平臺沿著一段為直線墻和一段為弧形墻行走， 從簽字筆畫的痕跡可以看出， 全向移動平臺的軌跡最開始一段為左移線段 １， 直線前進線段 ２ 和弧形線段 ３， 運動軌跡光滑。 全向移動平臺放在紙上的初始位置是隨機放的， 全向移動平臺的初始位是遠離墻的， 故全向移動平臺在程序控制下左移， 快速地達到其中心離墻的距離為 ５００ ｍｍ， 故形成了左移線段 １ 的運動軌跡。 然后全向移動平臺保持離墻為 ５００ ｍｍ 的距離沿直線墻行走， 形成了直線前進線段 ２ 的運動軌跡。 最后全向移動平臺保持離墻為５００ ｍｍ 的距離沿弧形墻行走， 形成了弧形線段 ３ 的運動軌跡。 當然改變超聲波傳感器設(shè)置的值 （大于最小盲區(qū) １ ｃｍ， 小于最大量程 １１ ｍ）， 也即是改變?nèi)蛞苿悠脚_中心離墻的距離后， 全向移動平臺也能實現(xiàn)沿墻走。 圖 ８ 全向移動平臺沿著直線墻行走實驗 ６ 結(jié)論 參考文獻： 班寧產(chǎn)品匯總 |
