本文介紹了一種基于DSP的機(jī)器人自主避障系統(tǒng)。DSP作為微處理器采集超聲波傳感器反饋回來的機(jī)器人外界環(huán)境和自身狀態(tài)，經(jīng)過判斷產(chǎn)生機(jī)器人移動(dòng)方向的控制命令，通過擴(kuò)展異步通信單元發(fā)送給伺服控制器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障。

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，機(jī)器人的研究與應(yīng)用也越來越普及。它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而且在航天航空、深海探測等危險(xiǎn)惡劣環(huán)境中也發(fā)揮了巨大的作用，甚至正在逐漸深入人們的日常生活當(dāng)中。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，對移動(dòng)機(jī)器人的研究又達(dá)到了新的高度，其中，機(jī)器人自主避障就是要研究的一個(gè)重要方向。本文介紹的一種機(jī)器人自主避障系統(tǒng)，以高速DSP作為處理器，實(shí)時(shí)采集超聲波傳感器感知的外部環(huán)境，進(jìn)而做出機(jī)器人移動(dòng)路徑的判斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主避障。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示，采用三個(gè)超聲波傳感器感知前方環(huán)境，然后將采集信息送到DSP中進(jìn)行判斷處理；擴(kuò)展DSP的異步通信單元，將控制命令以RS232異步通信協(xié)議發(fā)送到左右輪的電機(jī)控制器。

3 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為微處理器。該DSP具有40MIPS的執(zhí)行速度，能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性控制要求；片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，自帶16路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，一個(gè)串行通信接口模塊，兩個(gè)正交編碼電路和若干個(gè)16位通用定時(shí)器 ，簡化了外圍硬件電路。

3.1 傳感器與DSP接口設(shè)計(jì)

本文選用的傳感器是Polaroid公司生產(chǎn)的6500系列超聲波傳感器，該傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器。其與DSP的連接如圖2所示。

由DSP的通用I/O口輸出脈沖觸發(fā)傳感器工作，同時(shí)由于DSP的輸出電平與傳感器輸入不一致，因此需要加上電平轉(zhuǎn)換單元；觸發(fā)之后立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器，當(dāng)有回波返回時(shí)，傳感器輸出相應(yīng)脈沖作為DSP的外部中斷源，同時(shí)DSP停止計(jì)數(shù)。

3.2 異步通信擴(kuò)展單元設(shè)計(jì)

伺服控制器可通過RS232接口接收控制命令。由于需要對左右兩個(gè)車輪分別控制，而系統(tǒng)選用的DSP只有一個(gè)串行通信模塊，因此選用TI公司的TL16C554A作為異步通信擴(kuò)展芯片，每片TL16C554A均含有4 路異步通信單元，串行數(shù)據(jù)發(fā)送電路如圖3示。

電路中，由DSP的A3、A4、A5地址線和/IS信號線經(jīng)過74LV138D譯碼器芯片譯碼產(chǎn)生4路異步通信單元的選通信號，加上A0、A1、A2地址線和/WE、/RD讀寫信號就可以一起訪問TL16C554A的任一寄存器。/IS是DSP的I/O空間選通引腳，即DSP以I/O地址訪問TL16C554A的寄存器。TL16C554A串行通信電路采用了MAX3232驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)TL16C554A的電平轉(zhuǎn)換。

4 超聲波測距原理

超聲波測距通常采用時(shí)間差測距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，由被障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷障礙物的位置和距離。由于超聲波在空氣中的速度和空氣的溫度濕度有關(guān)，在比較精確的測量中，需要把溫度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。在一般要求不高的應(yīng)用中，可用下面的公式計(jì)算： s=c×t/2 s為距障礙物的距離；c為超聲波在空氣中的速度，一般取340m/s; t為發(fā)射與接受超聲波的時(shí)間差。

5 避障策略設(shè)計(jì)

在移動(dòng)機(jī)器人的行走過程中，由于隨時(shí)可能遇到障礙物，而且障礙物的大小、多少未知，所以為了能夠順利的到達(dá)目的地，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用三個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境信息的檢測，使它們的信息能夠互為補(bǔ)充。安放在移動(dòng)機(jī)器人上的超聲波傳感器如圖4所示，其中s1、s2、s3為三個(gè)超聲波傳感器，箭頭指向?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。

超聲波發(fā)射端在處理器和前置電路的驅(qū)動(dòng)下工作，接收端的信號在經(jīng)過放大、整形后在處理器的中斷口產(chǎn)生中斷，通過發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出機(jī)器人與障礙物的相對距離，再由處理器實(shí)現(xiàn)避障算法，作出判斷決策，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，然后通過電機(jī)自帶的控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向操縱，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的主動(dòng)避障。如圖5所示為機(jī)器人的避障程序流程圖。

要想實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人避障行走的自主控制，所面臨的基本問題是：一方面要求有充分的環(huán)境信息，另一方面要求能處理所獲得的環(huán)境信息并使其轉(zhuǎn)化成控制信息。避障算法的設(shè)計(jì)主要是解決機(jī)器人如何最優(yōu)的避開障礙物。在初始化階段，機(jī)器人根據(jù)自身的尺寸和障礙物的尺寸計(jì)算出一個(gè)最小安全距離，然后通過超聲波傳感器探測出當(dāng)前與障礙物之間的距離，比較這兩個(gè)距離的大小后即可確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。機(jī)器人的具體避障規(guī)則，如表1所示。

注：傳感器的狀態(tài)為0表示沒有障礙物；傳感器的狀態(tài)為1表示有障礙物。

6 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了利用超聲波測距信息來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的順利行走。使用超聲波傳感器測距，具有信息處理簡單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但它也具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在發(fā)出的探測波束角度過大、方向性差，只能獲得目標(biāo)的距離信息，而不能準(zhǔn)確的提供目標(biāo)的位置和邊界信息等。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人與障礙物之間角度過大時(shí)，有可能會發(fā)生碰撞。今后的工作是要完成多傳感器融合，使機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)卻的實(shí)現(xiàn)避障功能。