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工業(yè)機(jī)器人超聲波傳感器避障算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究 超聲波傳感器具有成本低、精度高、運(yùn)算快、避障算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人避障、路徑規(guī)劃領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的前景。文章以超聲波避障算法為基本原理，探討其在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值、算法設(shè)計(jì)及優(yōu)化方向，以便于改善現(xiàn)有技術(shù)在避障設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)，使工業(yè)機(jī)器人更好地服務(wù)于工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)需要。 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展至今已有近 70 年的歷史，在其搭載人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)的背景下，其智能性、易用性的優(yōu)勢(shì)凸顯，而自主發(fā)展、人機(jī)協(xié)作正成為工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一[1-2]。隨著物流、電子、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)革新、新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，在工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、高精度的避障，是工業(yè)機(jī)器人行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，其避障性能也是衡量工業(yè)機(jī)器人實(shí)用性的指標(biāo)[3]。目前以模糊邏輯控制、人工勢(shì)場(chǎng)法為代表的避障算法，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行中扮演者至關(guān)重要的角色，但該類(lèi)技術(shù)僅適用于簡(jiǎn)單環(huán)境下的避障，對(duì)于多障礙環(huán)境、復(fù)雜工況的避障效果欠佳，存在中途停頓、擺動(dòng)等問(wèn)題通病。與之相比，超聲波傳感器方法在避障中，能夠?yàn)闄C(jī)器人提供開(kāi)闊的視野、障礙物信息，給工業(yè)機(jī)器人避障策略的設(shè)計(jì)提供了新的研究思路和方向。 1 超聲波傳感器避障的原理 超聲波傳感器由壓電晶片組成，是基于超聲波波長(zhǎng)短、頻率高、傳播定向、繞射頻率低的特性設(shè)計(jì)的傳感器，因具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)，輸出能量大，工作中有著較高的靈敏度，可以適合高負(fù)荷條件下的傳感器運(yùn)行需要。縱向振蕩為基礎(chǔ)的超聲波技術(shù)應(yīng)用，能夠在固體、液體、氣體不同環(huán)境中傳播，傳播效率也存在明顯的差異，但無(wú)論是在液體、固體中的高頻率傳輸，還是在空氣中的低頻率傳輸，都伴隨著衰減現(xiàn)象，針對(duì)超聲波的這一特性，在工業(yè)機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中，可以運(yùn)用超聲波測(cè)距模塊，實(shí)時(shí)測(cè)量其和障礙物間的距離，在設(shè)定的安全范圍內(nèi)，機(jī)器人可以自動(dòng)進(jìn)行障礙物的規(guī)避[4]。該避障方法是在時(shí)間差測(cè)距法的基礎(chǔ)上經(jīng)演化、實(shí)踐形成的，即按照空氣中超聲波在單位時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)時(shí)間、距離，測(cè)算超聲波在空氣中從發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，至接收器收到回波的距離，運(yùn)算公式為：
在表達(dá)式中： 超聲波傳感器在工業(yè)機(jī)器人行走中的障礙物檢測(cè)方式為持續(xù)探測(cè)，參照常見(jiàn)的超聲波傳感器模塊，檢測(cè)誤差一般在4%內(nèi)，因此利用超聲波傳感器避障，可以獲得良好的避障效果。
在上述表達(dá)式中，C代表聲速； S表示工業(yè)機(jī)器人和障礙物之間的距離；T表示發(fā)射脈沖時(shí)刻與首個(gè)回波達(dá)到時(shí)刻的時(shí)間差。 依據(jù)上述避障公式、超聲波測(cè)距原理，采用MATLAB平臺(tái)中的Line函數(shù)，F(xiàn)IS模糊推理系統(tǒng)編輯器，整合工業(yè)機(jī)器人障礙物信息獲取、檢測(cè)、處理、模糊推理過(guò)程，建立簡(jiǎn)易的模型，減少建模過(guò)程對(duì)機(jī)器人自身力學(xué)模型的依賴(lài)性。借助模糊推理、控制，加強(qiáng)避障算法在應(yīng)用中的精度，便于進(jìn)行機(jī)器人左、右、前方各個(gè)方位障礙物的識(shí)別與控制。以設(shè)計(jì)的超聲波避障算法為例，確定了工業(yè)機(jī)器人的主要運(yùn)行流程： 工業(yè)機(jī)器人工作時(shí)，首先，依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)器人的功能定位需求，進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)置，調(diào)試機(jī)器人的避障參數(shù)，使工業(yè)機(jī)器人在安全距離內(nèi)及時(shí)選擇無(wú)障礙路線(xiàn)。之后，利用超聲波傳感器，采集機(jī)器人周邊的聲波信號(hào)，檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人和障礙物間的距離，聯(lián)合模糊推理方法，對(duì)障礙物進(jìn)行預(yù)判，按照機(jī)器人所處位置，推薦可靠的行進(jìn)路線(xiàn)，生成探測(cè)結(jié)果，再將數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)機(jī)器人配置的顯示屏，可顯示不同方位的障礙物信息、距離檢測(cè)結(jié)果。接著，在遭遇障礙物的條件下，機(jī)器人可以避開(kāi)障礙，旋轉(zhuǎn)90°繼續(xù)選擇安全的行程。若機(jī)器人判斷預(yù)定的行走路線(xiàn)無(wú)障礙物時(shí)，可以直接選擇對(duì)應(yīng)方位的路線(xiàn)，完成規(guī)定的任務(wù)。 3 工業(yè)機(jī)器人超聲波傳感器避障算法優(yōu)化策略
s1、s2表示已知測(cè)量距離；△t表示延遲時(shí)間；t1、t2表示對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間。 根據(jù)優(yōu)化后的超聲波避障算法，對(duì)工業(yè)機(jī)器人和障礙物間的距離參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)定，共計(jì)包含前方障礙物、左側(cè)障礙物、右側(cè)障礙物3個(gè)指標(biāo)[16]。采用超聲波傳感器探測(cè)各部位信息，要求工業(yè)機(jī)器人前方行走時(shí)，當(dāng)障礙物距離工業(yè)機(jī)器人的距離≥25cm，則視為安全路線(xiàn)，機(jī)器人可繼續(xù)行走。隨著與障礙物距離的拉進(jìn)，當(dāng)障礙物距離＜25cm時(shí)，探測(cè)工業(yè)機(jī)器人左側(cè)、右側(cè)的障礙物信息，當(dāng)識(shí)別到左側(cè)、右側(cè)的距離到機(jī)器人均≥30cm時(shí)，可以向左側(cè)或者右側(cè)旋轉(zhuǎn)90°后行進(jìn)。若探測(cè)到左右兩側(cè)的安全距離均＜25cm時(shí)，工業(yè)機(jī)器人可后退一段距離，當(dāng)有一側(cè)的距離≥25cm，則可向該方向行走，直到選擇最佳的無(wú)障礙路線(xiàn)為止。 4 超聲波傳感器避障算法驗(yàn)證 為驗(yàn)證超聲波傳感器避障算法的精度與可靠性，采用XX公司生產(chǎn)的AIR3工業(yè)機(jī)器人和XX公司生產(chǎn)的200F18TR-2超聲波傳感器為試驗(yàn)工具。其中，工業(yè)機(jī)器人為6軸，最大運(yùn)動(dòng)范圍 560mm，定位精度±0.02mm，6 個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)范圍分別為：-170°/+170°、-110°/+120°、-110°/+155°、-200°/+200°、-120°/+120°、-350°/+350°，6 個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)速度分別為 450°/s、450°/s、540°/s、800°/s、800°/s、800°/s。超聲波傳感器的標(biāo)稱(chēng)頻率為200.0±10%KHz，測(cè) 量 范 圍 為 0.07-0.8M，標(biāo) 準(zhǔn) 檢 測(cè) 板 為100x100mm，輸出方式為 NPN/PNP/0-10V/4-20mA。以工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)行的工作速度為依據(jù)，使其向障礙物方向行進(jìn)，測(cè)量工業(yè)機(jī)器人和障礙物間的最小距離，分別在前方障礙物、左側(cè)障礙物、右側(cè)障礙物3種不同的工況條件下，測(cè)試工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)： 經(jīng)過(guò)不同工況下的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器避障算法在避障中，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境有固定要求，機(jī)器人行走過(guò)程需保證路面平整、光滑，無(wú)坑槽、凹凸不平現(xiàn)象，方可按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行避障處理，一旦路面出現(xiàn)坑槽，則會(huì)影響超聲波傳感器的測(cè)量精度，機(jī)器人的行走也可能存在一定的概率偏離原有的路線(xiàn)。另外，超聲波傳感器量程內(nèi)對(duì)稍遠(yuǎn)距離的障礙物，有著較好的測(cè)量效果，而對(duì)于近距離的障礙物可能存在檢測(cè)盲區(qū)，但得益于測(cè)試中模糊推理策略的應(yīng)用，可以增強(qiáng)超聲波傳感器識(shí)別障礙物的能力，提升其應(yīng)對(duì)障礙物的反應(yīng)能力，減少了探測(cè)誤差，這也有效指導(dǎo)了工業(yè)機(jī)器人的正常運(yùn)行，但模糊推理策略對(duì)于近距離的超聲波傳感器探測(cè)精度有限。 5 結(jié)語(yǔ) 文章運(yùn)用超聲波傳感器設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人避障算法，建立了工業(yè)機(jī)器人避障流程，確定了障礙物到工業(yè)機(jī)器人間的安全距離控制閥值，測(cè)距的靈敏度、精度高，可以適用于一般環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)單作業(yè)，對(duì)于復(fù)雜工況，尤其是動(dòng)態(tài)障礙物的避障處理及近距離的避障設(shè)計(jì)，超聲波傳感器避障算法還存在著本身的劣勢(shì)，將超聲波避障算法與遺傳算法、人工智能技術(shù)等結(jié)合進(jìn)行算法優(yōu)化，是工業(yè)機(jī)器人超聲波避障未來(lái)一項(xiàng)重要的命題。 參考文獻(xiàn)： [1] Takei Y, Matsui R, Minh-Dung N, et al. Velocity measurement using MEMS ultrasonic sensor for non-invasive blood pressure measurement[J]. IEEJ Transactions on Sensors and Microma-chines, 2018,138(2):54-58. 班寧產(chǎn)品匯總 |
