机器人超声波避障的探究

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机 器 人 超 声 波避 障 的探 究
杨 乐
（ 国民航 大 学 基 础 实验 中心 ， 津 ３１ ｆ１ 中 天 （１ １ ｛ ｆ ３ ）
摘 要 ： 器人 发展 日， １ ， 泛 应 用 于各 领 域 ， 声 波避 障 是 移 动机 器人 常 用 的 避 障 方 法 机 ／ 异 广 ８￣ 超 究， 经实验表明算法二更安全有效 。 关键词 ： 超声波； 障； 避 算法 １ 述 概 机器 人是 高 级整 合控 制 论 、 械 电 子 、 算 机 、 料 和 机 计 材 仿生学的产物。在工业 、 医学 、 Ｓ 农业 、建筑业甚至军事等领域 中均有重要用途 。机器人避障 的方法有超声避障 、 视觉避障 、 红外传感 器避障 、 激光避障等。 超 声避 障实 现 方 便 ， 术 成熟 ， 技 成本低 ，成为移动机 器人 常用 的避障方法 ，但超声避 障存在 些缺点 ， 如存在探测盲 区， 幻 影现象等。采用 ８个超声波传 感器采集到的数据进行整合分 图 １ 实验 通 道 析 ，初 步 实现 了在 特 定 环 境 下 图 ２ 传 感 器排 机器人安全避 障。 ２原理 简 介 由 于 超 声 波 指 向性 强 ， 能 量 消耗 缓 慢 ，在 介 质 中 传 播 的
一
４一

等 都 可 以通 过 超 声 波 米 实 现 。 利 用 超 声 波 检 测 往 往 比较 迅 速、 方便 、 计算 简单 、 于做到 易
、
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、
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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 研 制 上 也 得 到
了广 泛 的应 用 。
器收到反射波就直即停止 汁时。超声波在空气 制 策 略Ｉｌ 动 化技 术与 应 用 ， ０ ，． Ｊ咱 ２ ２５ ０
作 者 简 介 ： 乐（ ９ ２ ， ， 理 实验 师 ， 杨 １ ８ ～） 男 助
４ ｍ ｓ根据计时器记录 的时 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的 中的传播速度为 ３ ０ ／，
４
将 机 械 能 转 换 为 电 信 号 ，这 时 它 就 成 为超 波 Ｉ】 骁 苗， 东 辉 ． 欣 ， 立 ．移 动 机 器人 的 多 ｉ 孙 １ 周 粟 李 接 收器 』 ， 传 感 器 测 距 系 统 设 计 ｌ１ 感 器 与 微 系统 ， Ｊ ．传
２２超 声 波测 距 原 理 ．
谐振来工作的。超声波发生器内部有两个 压电 ｔ ，就 可以汁算 Ｈ 发射点距障碍物 的 离 ｓ 本 科 、 ； ， ｊ＝ 品片和一个共振板 。 当它的两极外加脉冲信 号， Ｈ ： ３０ ２ 。这 就 是 所 渭 的 时 问 箍测 法 ・ ｌｓ ４ ｄ 其频 率 等 于 压 电 晶 片 的 固有 振 荡频 率 时 ，压 电 ３实 验 环 境 实 与 中 用 木板 搭 建 起 一 条 通道 ，机 器 人 从 令 晶片将会发生共振 ， 并带动共振板振动 ， 便产生 通过 超 声 波 探 头 发 ｆ ，接 收 超 声 波 ， ｌ｛ Ｊ： 超声 波 。反 之 ， 果 两 电 极 间 未外 加 电压 ， 如 当共 起 点 出 发 ， 到 振 板 接 收 到超 声 波 时 ， 压 迫压 电 晶片 作 振 动 ， 判 断 距 离 障 碍 物 大小 并 自动 转 向 选 择 线 路 ， 将
在这种算法中考虑 了更多的细节 ，进行 了 很 多步骤的距离大小比较 ， 算法相对 比较复杂。
（ 图 ４ 如 ）
结 束 语 实验中对两种算法分别进行 了数据处理
和分析 ， 通过 比较 可得出 ， 算法一简单 ， 响应较 快， 但足 在一些死角会陷入死循环。 而算法二相 埘前一算法可靠性更高，在多数情况下均 可安 全避障， 可顺 利 从 起 点 到 达终 点 。
２ ０ ，． ０ ６ ２
参 考 文 献
超 声 波 发 射 器 向某 一 方 ｒ 发 射 趟 声 波 ， ｎ Ｊ 在 １ 国良， 文 义．移 动机 器人 信 息 融合 技 术 研 ２ 强 发 射 时 刻 的 同时 开 始 计 时 ，超 声 波 在 空 气 中 传 究… ． 尔滨 工 业 大 学 学报 ，２０ ，． 哈 ０３ ７ 播， 途中碰 到障碍物就立即返 回来 ， 趟声波接收 『１ ３尤富强， 陈兴林 ， 文义． 强 一种机 器人避 障控
５２ 法 ２ ．算
为 了使 移 动 机 器 人 能 自 动避障行走 ，就必须装 备测距 系统，以使其及 时获取距 障碍 物的距离信息 （ 离和方 向） 距 。 所介绍的三方向（ 、 、 ） 前 左 右 超 声波测距系统，就是为机器人 了解其前方 、左侧和右侧的环 境而提供一个运动距离信息。 ２１ 声 波 发生 器 ．超 为了研究和利用超声 波 ， 人 们 已经 设 计 和 制 成 了 许 多 超 声 波发 生 器 。 体 上 讲 ， 声 波 发 生 器 可 以 分 为 总 超 两大类 ： 一类是用电气方式产生超声 波， 一类足 用 机 械 方 式 产 生超 声 波 。 电气 方 式包 括 电型 、 磁致伸缩型和电动型等 ； 机械方式有加尔统笛 、 液哨和气流旋笛等 。它们所产生 的超声波的频 率、 功率和声波特性各不相 同， 因而用途也各不 相同。 目前较为常用的是压电式超声波发生器。
一
通 过 采 用 两 种 算 法对 机 器人 的 避 障 技 术进 行研
图 ３
达终点。在通道 中可以再适当的设置一些障碍
物 ， 图 ｌ 如 。
距 离较 远 ，因 而 超 声 波 经 常用 于距 离 的测 量 ，如 物 位 测 量仪
４传 感 器 位 置 排 列 为 ｒ消除于扰 ，实验 中采用 ８ 路超声波传
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感 器进行数据采集。避 障实验平台是 自我研制 的移动机器人 ， 町以设计算法 ， 编程实现 。从右 至左依次为 ｌ ８ ～ 号传感器。（ 如图 ２ ） ５ 对两种避障算法进行实验
５１算 法 １ ．
定 义变 量 ，ｊ Ｌｆ ｘ 示 ６、 测 得 ＝ｍ＿ ｅｔ 表 Ｈ Ｍｉ ７路 的 最 小 ，ｌｌｉ ｔ ｘ表 示 ２ ３路 测 得 的最 小 ｎ ｌ ｈＭｉ — ｇ 、 值。这种算 法结构简单 ， 易于操作。（ 如图 ３ ）