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基于超聲波傳感器的全向移動(dòng)平臺(tái)的沿墻控制 針對沿墻自主導(dǎo)航， 搭建一種由全向輪、 步進(jìn)電機(jī)、 超聲波傳感器以及 ５２ 單片機(jī)組成的全向移動(dòng)平臺(tái)， 分析了其運(yùn)動(dòng)特性。 進(jìn)行了全向移動(dòng)平臺(tái)自主沿墻導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)， 提出了一種全動(dòng)和差動(dòng)相結(jié)合的沿墻控制策略。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明： 該控制策略能有效實(shí)現(xiàn)自主精確沿墻導(dǎo)航， 為全向移動(dòng)平臺(tái)的沿墻導(dǎo)航控制提供了一種方法。 ０ 前言 沿墻導(dǎo)航是指機(jī)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(dǎo)航在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用， 如室內(nèi)清掃機(jī)器人、 老人服務(wù)機(jī)器人、 ＡＧＶ 小車、 滅火機(jī)器人等。 沿墻走是機(jī)器人借助環(huán)境進(jìn)行自主導(dǎo)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(jī)器人外部傳感器。 視覺、 紅外、 激光、 超聲波等傳感器都在移動(dòng)機(jī)器人中得到實(shí)際應(yīng)用［２］。 但超聲波傳感器以其性價(jià)比高、 硬件實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)， 在移動(dòng)機(jī)器人感知系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［３］。 郭小勤等［１，３－４］ 對普通差動(dòng)輪式機(jī)器人做了沿墻走研究， 并通過實(shí)驗(yàn)較好地實(shí)現(xiàn)了接近式沿墻走效果。 但對于普通的輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)而失去作用， 這在一定程度上就限制了輪式機(jī)器人的使用［５］。全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)特別適合移動(dòng)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(dòng)的場合。 １ 全向移動(dòng)平臺(tái)底盤設(shè)計(jì) 由于全向輪圓周由多個(gè)小輥?zhàn)咏M成， 輥?zhàn)拥妮S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(gè)自由度： 繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、 饒輥?zhàn)虞S線的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂直方向的平動(dòng) （也即和普通輪子相比具有側(cè)滑功能）。 ２ 全向移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式 全向移動(dòng)平臺(tái)工作空間為一平面， 如圖 ２ （ａ）所示， 以 ４ 個(gè)輪子的軸線分別為 ｘ、 ｙ 軸， 以 ４ 個(gè)輪子的軸線交點(diǎn)也即該全向移動(dòng)平臺(tái)的幾何中心為原點(diǎn)， 建立平面直角坐標(biāo)系。 ３ 全向移動(dòng)平臺(tái)自主沿墻導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 如圖 ３ 所示系統(tǒng)主要由 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機(jī)、 ２ 路超聲波電路以及 ４ 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。 系統(tǒng)采用低功耗、 抗干擾性強(qiáng)、 高性能的 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機(jī)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(dǎo)航算法發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路， 驅(qū)動(dòng)全向移動(dòng)平臺(tái)自主沿墻導(dǎo)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(jī)、 時(shí)鐘電路、 復(fù)位電路組成。 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機(jī)具有抗干擾性能強(qiáng)、 速度快、 功耗低和指令代碼完全兼容 ８０５１ 單片機(jī)等特點(diǎn)［６］。 時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式， 通過 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 單片機(jī)的 ＸＴＡＬ１ 和 ＸＴＡＬ２ 引腳外接石英晶體和和兩個(gè)微調(diào)電容來實(shí)現(xiàn)。 復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)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(bǔ)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(dá) １ ｍｍ； 測量盲區(qū)最小至 １ ｃｍ， 最大量程可達(dá) １１ ｍ， 基本無盲區(qū)； 使用 Ｉ２Ｃ 接口與主機(jī)通信， 自動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的 Ｉ２Ｃ 控制指令； 省電模式： 具有自動(dòng)休眠功能， 模塊在 ５ ｓ 內(nèi)未收到主機(jī)指令自動(dòng)進(jìn)入休 眠 狀 態(tài)， 隨 時(shí) 被 主 機(jī) 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(gè) ＫＳ１０３， 故采用 ＫＳｌ０３ 超聲波測距。 在 ＫＳ１０３ 測距模塊上連線引腳上標(biāo)識有： ＶＣＣ、ＳＤＡ／ ＴＸ （簡稱 ＳＤＡ）、 ＳＣＬ／ ＲＸ （簡稱 ＳＣＬ）、 ＧＮＤ、ＭＯＤＥ。 ＭＯＤＥ 引腳懸空時(shí)， 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(shí)鐘線。 ＳＣＬ 及ＳＤＡ 線均需要由主機(jī)接一個(gè) ４ ７ ｋΩ （阻值 １ ～ １０ ｋΩ均可） 電阻到 ＶＣＣ。 單片機(jī)的 Ｐ３５、 Ｐ３６ 引腳分別作為 Ｉ２Ｃ 通信的時(shí)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(jī)接口電路 ＫＳ１０３ 測距模塊數(shù)據(jù)包括距離、 往返時(shí)間以及溫度， 單片機(jī)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(bǔ)償）， 等待轉(zhuǎn)換時(shí)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用 Ａ４９８８， Ａ４９８８ 是一款完全的微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 可以以全、 半、 １／ ４、 １／ ８ 及 １／ １６ 步進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)， 輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá) ３５ Ｖ 及±２ Ａ，為系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)提供了足夠的驅(qū)動(dòng)功率［１０］。 Ａ４９８８帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器， 操作簡便， 只需在步進(jìn)端口輸入一個(gè)脈沖即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步， 無需相序表、 高頻控制線或復(fù)雜接口［１１］。 Ａ４９８８ 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片主要端口有 ＥＮＡＢＬＥ、ＤＩＲ、 ＳＴＥＰ、 ＭＳ１、 ＭＳ２、 ＭＳ３。 ＥＮＡＢＬＥ 端口可以使用單片機(jī)端口控制， 也可以直接連接 ＧＮＤ 使能。 ＥＮ⁃ＡＢＬＥ 端口輸入高電平時(shí)， 電機(jī)不轉(zhuǎn)， 輸入低電平時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 在 ＳＴＥＰ 引腳輸入一個(gè)脈沖， 即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步， 設(shè)置脈沖的頻率， 可控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)模式， 從而選擇不同的步距角和激勵(lì)方式［１０］。 ＤＩＲ 端口輸入高電平時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 輸入低電平時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。Ａ４９８８ 電機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 芯 片 與 單 片 機(jī) 的 接 口 電 路 如 圖 ６所示。 單片機(jī)的 Ｐ００－Ｐ０５ 口同時(shí)與 ４ 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 Ａ４９８８ 的 １～ ６ 號輸入端口相連， 控制步進(jìn)電機(jī)的使能、 步進(jìn)角以及激勵(lì)方式等。 單片機(jī)的的 Ｐ２ 口分別與 Ａ４９８８ 的 ＳＴＥＰ、 ＤＩＲ 端口相連， 控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向。 ４ 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 Ａ４９８８ 的輸出端 １Ａ 與 １Ｂ 分別接步進(jìn)電機(jī)同相的兩端， 輸出端２Ａ 與 ２Ｂ 分別接步進(jìn)電機(jī)另一相的兩端。 ４ 沿墻導(dǎo)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(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)中心線與預(yù)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(dòng)平臺(tái)的中心線與預(yù)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(dòng)平臺(tái)直線前進(jìn)。 第二類情況如圖 ７ （ｂ） 所示， 移動(dòng)平臺(tái)中心線向左偏離且與預(yù)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(dòng)平臺(tái)右轉(zhuǎn)。 第三類情況如圖 ７ （ｃ） 所示， 移動(dòng)平臺(tái)中心線向右偏離且與預(yù)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(dòng)平臺(tái)左轉(zhuǎn)。 第四類情況如圖７ （ｄ）所示， 移動(dòng)平臺(tái)中心線向左偏離且與預(yù)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(dòng)平臺(tái)右移。 第五類情況如圖 ７ （ｅ） 所示， 移動(dòng)平臺(tái)中心線向右偏離且與預(yù)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(dòng)平臺(tái)左移。 對于第一類直線前進(jìn)情況， 采用差動(dòng)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(dòng)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(dòng)方式， 充分發(fā)揮全動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)， 右轉(zhuǎn)、 左轉(zhuǎn)時(shí)可以繞全向移動(dòng)平臺(tái)的幾何中心旋轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)彎半徑��； 對于第四類右移、 第五類左移也采用差動(dòng)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(dòng)平臺(tái)直接橫向移動(dòng)到預(yù)期的路徑上來， 調(diào)整快。
圖 ７ 全向移動(dòng)平臺(tái)沿墻走策略 ５ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 全向移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)的軌跡最開始一段為左移線段 １， 直線前進(jìn)線段 ２ 和弧形線段 ３， 運(yùn)動(dòng)軌跡光滑。 全向移動(dòng)平臺(tái)放在紙上的初始位置是隨機(jī)放的， 全向移動(dòng)平臺(tái)的初始位是遠(yuǎn)離墻的， 故全向移動(dòng)平臺(tái)在程序控制下左移， 快速地達(dá)到其中心離墻的距離為 ５００ ｍｍ， 故形成了左移線段 １ 的運(yùn)動(dòng)軌跡。 然后全向移動(dòng)平臺(tái)保持離墻為 ５００ ｍｍ 的距離沿直線墻行走， 形成了直線前進(jìn)線段 ２ 的運(yùn)動(dòng)軌跡。 最后全向移動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)軌跡。 當(dāng)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?dòng)平臺(tái)中心離墻的距離后， 全向移動(dòng)平臺(tái)也能實(shí)現(xiàn)沿墻走。 圖 ８ 全向移動(dòng)平臺(tái)沿著直線墻行走實(shí)驗(yàn) ６ 結(jié)論 參考文獻(xiàn)： 班寧產(chǎn)品匯總 |
