王 盟

(天津冶金職業(yè)技術學院 電子信息工程系，天津 300400)

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基于DSP與超聲波測距的農(nóng)業(yè)機器人定位與避障控制

王 盟

(天津冶金職業(yè)技術學院 電子信息工程系，天津 300400)

隨著新興電子集成技術和自動化技術的發(fā)展，控制系統(tǒng)已逐漸向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，高集成芯片廣泛應用于自動化控制領域，體積小、運算能力強的嵌入式系統(tǒng)慢慢開始取代計算機。為此，首先分析了超聲波測距功能及其優(yōu)越性，采用三球定位技術，設計研究了一種基于DSP和超聲波的全局定位系統(tǒng)；然后，采用多路超聲波收發(fā)模塊設計了基于超聲波的自主避障控制系統(tǒng)，并提出一種新的模糊推理方法，實現(xiàn)機器人的避障和路徑規(guī)劃功能；最后，采用Visual C++可視化程序設計軟件對避障系統(tǒng)進行仿真和場地試驗，驗證了系統(tǒng)的可靠性和可行性，為機器人的研究和發(fā)展提供了更加寬廣的空間。

農(nóng)業(yè)機器人；定位；避障；DSP；超聲波測距；路徑規(guī)劃

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，機械自動化、計算機控制系統(tǒng)、測試計量技術、無線傳輸技術飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人研究取得了很大進展。農(nóng)業(yè)機器人結(jié)合了傳感器、機械制造、無線通信、儀器儀表和自動化控制工程等多學科，已成為科技研究最前沿的領域之一。本文以DSP處理器為核心，以超聲波測距的原理為基礎，設計和研究了基于DSP與超聲波測距的農(nóng)業(yè)機器人定位與避障控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)超聲波傳感器對農(nóng)業(yè)機器人進行定位和避障操作，并采用Visual C++可視化軟件對避障系統(tǒng)進行仿真試驗，驗證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 超聲波測距在農(nóng)業(yè)機器人中應用的原理

由于超聲波頻率高，沿直線傳播特性和指向性都很強，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，易于獲得較集中的聲能，因此常常用于測距、測速、清洗、碎石及消毒等，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用。利用超聲波檢測方便、簡單、可做到實時監(jiān)控，且測量精度好，因此廣泛用于機器人的定位與避障。

1.1 超聲波及其性質(zhì)

超聲波因其頻率下限高于人的聽覺上限而得此名。與光不同的是，超聲波需要借助介質(zhì)的分子運動才能傳播，聲波頻率越高，波長越短，其繞射能力就約弱。因此，其在同一介質(zhì)傳播速度固定。在理想環(huán)境中，超聲波傳播的質(zhì)點位移可以表達為

(1)

其中，S(t)為位移量；A0為初始振幅的參考值；ω為角頻率；t為聲波傳輸所需時間；x為聲波傳輸距離；α為衰減系數(shù)；k為波數(shù)。

由式(1)可知：聲波在傳播過程中，傳輸距離x越大，其振幅A(x)越小。聲波衰減系數(shù)α與頻率f及傳播介質(zhì)有一定的關系，可表示為

α=Ae·f2

(2)

其中，Ae為傳播介質(zhì)；f為聲波振動頻率。

由式(2)可以看出：頻率越高，聲波衰減系數(shù)就會越大，信號就越弱；反之，頻率越高，聲波衰減系數(shù)就越小，信號就越強。此外，聲波還具有另外一個非常重要的特性：當其頻率越高，傳播的波束就越窄。同時，高頻聲波與低頻相比擁有的能量更大，傳播的距離更遠，反射能力更強。在應用中，為了讓聲波發(fā)射距離更遠，衰減更低，一般選擇40kHz左右的頻率比較合適。為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人的定位、避障功能，必須具備測距的功能。超聲波硬件成本低、精確度高、模塊化程度高，因而在農(nóng)業(yè)機器人的應用非常廣泛。

1.2 超聲波測距的原理

超聲波測距的基本原理是:發(fā)射器向外發(fā)射信號，當信號碰到障礙物時會發(fā)生反射，然后被接收器接收，系統(tǒng)停止計時；系統(tǒng)可根據(jù)超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度及信號發(fā)射接收的時間計算出被測物體與系統(tǒng)間的距離。超聲波系統(tǒng)測距公式為

(3)

其中，S為系統(tǒng)與被測物體距離；c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為發(fā)射與接收的時間差。

從式(3)可以看出：超聲波測距最重要的就是對時間的檢測，方法主要有可變閾值法、包絡峰值法和相位法。對于不同的應用場合，選用的方法不同。超聲波測距有直射式和反射式兩種，如圖1所示。

圖1(a)為直射測距法，設備主要由發(fā)射和接收模塊構(gòu)成；圖1(b)為反射測距法。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射聲波，信號發(fā)射時計數(shù)器計時，信號碰到障礙物面阻擋反射回來，接收器收到信號就停止計時；當被測物體與系統(tǒng)之間距離足夠大時，可認為發(fā)射器和接收器在同一質(zhì)點上，即兩者到障礙物的距離相同。在實際應用中，測量遠距離和移動性物體時反射式使用比較廣泛；而直射式測量精度更高，在連續(xù)波相移法中應用較多。在本文定位系統(tǒng)的設計研究中，測距系統(tǒng)采用直射式方式，而在自動避障控制部分則采用反射式方式。

2 農(nóng)業(yè)機器人定位與自動避障控制系統(tǒng)

2.1 農(nóng)業(yè)機器人定位系統(tǒng)

超聲波定位系統(tǒng)是由多個傳感器、根據(jù)某種特定的方式構(gòu)成的系統(tǒng)，其在農(nóng)業(yè)機器人局部定位中應用廣泛。該系統(tǒng)往往由多個接收器和一個發(fā)射器構(gòu)成。發(fā)射器固定在農(nóng)業(yè)機器人上，根據(jù)超聲波的測距功能，實現(xiàn)物體的定位，如圖2所示。在L1和L2各安放著一個接收器，L1和L2連線的中點為原點O，在農(nóng)業(yè)機器人S上安放一個發(fā)射器，利用三點法進行測量可以測出坐標，則

(4)

其中，xs、ys分別為農(nóng)業(yè)機器人的橫、縱坐標。

圖2 超聲波定位系統(tǒng)示意圖

其中，xs的正負取值由O點與機器人的位置決定。定位系統(tǒng)的原理是將發(fā)射端安放于被測物體上，并將接收端(基點)規(guī)則地安放在附近位置；然后由待定位農(nóng)業(yè)機器人發(fā)射信號，基點接收信號，計算每個基點與農(nóng)業(yè)機器人的距離，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)送至DSP處理器進行計算，從而求解出農(nóng)業(yè)機器人的坐標。

本文設計的超聲波定位系統(tǒng)，將發(fā)射器安放在機器人上，接收器安放于附近物體上作為基站，發(fā)射器發(fā)射信號，由固定基站接收并測量距離，傳送給處理器求出機器人坐標。利用三球定位技術，建立該定位系統(tǒng)的計算模型，如圖3所示。

圖3 三球定位原理的計算模型

如圖3所示：在實驗室天花板安放3個接收器作基站，假設3個基站位置分別為A0(0,0,H)，A1(x1,y1,H)，A2(x2,y2,H)，農(nóng)業(yè)機器人在水平地面的坐標為S(x,y,0)，利用三邊計算公式進行計算，則

(5)

其中，H為天花板高度；d0、d1、d2為A0、A1、A2與農(nóng)業(yè)機器人之間的距離。利用式(5)求解出農(nóng)業(yè)機器人坐標S(x,y,0)，即求得的其唯一坐標值。

2.2 農(nóng)業(yè)機器人自動避障控制系統(tǒng)

在機器人的發(fā)展中，其自動避障控制一般都在地圖環(huán)境確定的情況下進行。但在機器人實際應用中，常常需要在環(huán)境未知或地圖不準確時作業(yè)，往往會導致之前的地圖信息和傳感器實際感知的相差太多。因此，由機器人實時檢測前方障礙物并重新規(guī)劃路徑就非常重要。隨著農(nóng)業(yè)機器人應用場合的不斷增多，其靈活避障的能力越來越重要，是機器人完成復雜環(huán)境下導航任務的重要條件。機器人避障系統(tǒng)主要由探測系統(tǒng)、信息處理及避障策略組成。

由于農(nóng)業(yè)機器人需要在未知環(huán)境下進行自主移動行走，需要具備自主檢測障礙物并避開的功能。超聲波收發(fā)模塊以反射方式感知障礙物及其距離，由于其受環(huán)境因素干擾小，而且在夜晚也能準確探測和測量障礙物及其距離，因此能夠給機器人的避障決策提供重要信息參考。在農(nóng)業(yè)機器人避障系統(tǒng)中，采用多路超聲波傳感器以實現(xiàn)自動避障功能。

本文設計的系統(tǒng)包括定位和避障兩部分，DSP處理器處理任務繁重。為了減輕其負擔，提高系統(tǒng)運行速度，本設計采用模糊推理控制技術，并根據(jù)多路超聲波探測信息進行分類存庫，在模糊控制基礎上對機器人進行實時路徑規(guī)劃。農(nóng)業(yè)機器人避障控制系統(tǒng)的模糊推理原理如圖4所示。

圖4 避障系統(tǒng)的模糊推理框架圖

為了實現(xiàn)自主避障，在該機器人的前、左、右等多個方向安裝了5組超聲波收發(fā)模塊。模塊將測距信息傳送給DSP處理器，然后建立模糊規(guī)則庫，根據(jù)信息處理結(jié)果判斷機器人的運動路徑和運動方向。

3 系統(tǒng)的軟硬件設計

3.1 硬件設計

本文設計核心處理器采用TI公司最新研究設計TMS320F2812處理器，其數(shù)據(jù)處理能力強、運行速度快，且SARAM和Flash片內(nèi)存儲資源豐富。本文根據(jù)傳感器接收模塊的組成結(jié)構(gòu)和DSP的工作特性，提出了基于DSP與超聲波測距的定位與避障控制系統(tǒng)。定位與避障系統(tǒng)的硬件框架圖5所示。

圖5 定位與避障系統(tǒng)的硬件框架圖

本系統(tǒng)搭建在農(nóng)業(yè)機器人試驗平臺上，系統(tǒng)以TMS320F2812處理器為控制核心，并集成無線傳輸模塊、直流驅(qū)動電機、測距傳感器及超聲波收發(fā)模塊，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人的定位以及避障功能。

3.2 軟件設計

農(nóng)業(yè)機器人的定位系統(tǒng)主要是由發(fā)射模塊將信號發(fā)射出去，然后由接收基站接收；基站處理好數(shù)據(jù)信息后由無線模塊將數(shù)據(jù)傳送為處理器，然后根據(jù)每個基點與農(nóng)業(yè)機器人的距離并利用三球定位原理求出機器人的具體坐標位置。農(nóng)業(yè)機器人超聲波定位系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 農(nóng)業(yè)機器人超聲波定位系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)上電后，程序開始初始化，并且設置一系列參數(shù)； 然后，主程序調(diào)用定位子程序，子程序根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息計算坐標值，從而判斷確定機器人的具體位置。

農(nóng)業(yè)機器人避障系統(tǒng)軟件設計主要包括主程序、外部中斷、距離計算及避障策略等子程序。機器人避障系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 農(nóng)業(yè)機器人避障系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)仿真和場地試驗

機器人定位和獲取障礙物信息是判斷采摘機器人性能是否優(yōu)良的重要條件，為了驗證農(nóng)業(yè)機器人定位和避障系統(tǒng)是否滿足設計需要，本文采用計算機Visual C++可視化程序設計軟件對避障算法進行仿真和場地試驗。由于農(nóng)業(yè)機器人常常需要在復雜環(huán)境下躲避障礙物，因此除了對可預測的避障環(huán)境信息進行仿真外，還需要任意搭建障礙物環(huán)境，以驗證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。農(nóng)業(yè)機器人避障仿真軌跡如圖8所示。

圖8中：系統(tǒng)兩次仿真都以S為起點、E為終點，障礙物由系統(tǒng)隨機構(gòu)建，由各種實心矩形和圓形組合表示。不難看出，本文設計的農(nóng)業(yè)機器人自主避障系統(tǒng)在復雜的環(huán)境下仍可圓滿地實現(xiàn)避障功能，且系統(tǒng)可靠性高，規(guī)劃軌跡距離短。

圖8 農(nóng)業(yè)機器人避障仿真軌跡

5 結(jié)論

首先分析了超聲波測距的原理及其優(yōu)越性，并根據(jù)實際需求，采用三球定位原理，設計研究了一種基于DSP和超聲波的定位系統(tǒng)。其次，采用多路超聲波收發(fā)模塊設計了基于DSP與超聲波的自主避障系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制在機器人避障中的應用，提出一種模糊推理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的避障和路徑規(guī)劃功能，為機器人在復雜環(huán)境作業(yè)的自主移動提供了保障。最后，通過Visual C++可視化程序設計軟件對避障算法進行仿真和場地試驗，保證了系統(tǒng)的可靠性和可行性。

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Localization and Obstacle Avoidance Control of Agricultural Robot Based on DSP and Ultrasonic Distance Measurement

Wang Meng

(Department of Electronic Information Engineering, Tianjin Metallurgical Vocation-technology lnstitule, Tianjin 300400,China)

With the development of the electronic integration technology and automation technology, control system has gradually shift to digital high integrated chip widely used in the field of automation and control, small volume, strong computing ability of embedded system slowly began to replace the computer. At first, this paper analyzes the ultrasonic ranging function and its advantages, the three global positioning technology is researched and designed a kind of global positioning system based on DSP and ultrasonic. Then the multi-channel ultrasonic transceiver module design the ultrasonic based autonomous obstacle avoidance control system, and puts forward a new method of fuzzy reasoning, realizes the robot obstacle avoidance and path planning function; at last, using Visual C + + programming visualization software for obstacle avoidance system simulation and field test to verify the reliability and feasibility of the system,which provides a broader space for the research and development of the robots.

agricultural robot; location; obstacle avoidance; DSP; ultrasonic distance measurement; path planning

2016-05-06

天津市教委教育信息化戰(zhàn)略研究基金項目(X2014-022);教育部高校碩士點基金項目(200801120007)

王 盟(1983-)，男，河北邯鄲人，講師，碩士，(E-mail)thehuahuu@sina.com。

TP242；U463.6

A

1003-188X(2017)08-0207-05