原標(biāo)題：采用超聲波的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航設(shè)計(jì)方法

采用超聲波的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航設(shè)計(jì)方法主要依賴于超聲波傳感器的測(cè)距原理，并結(jié)合機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。以下是一個(gè)基于超聲波的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航設(shè)計(jì)的詳細(xì)方法：

一、系統(tǒng)架構(gòu)

移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)通常包括觸摸屏模塊、超聲波模塊、攝像頭圖像采集模塊、直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)等。這些模塊在ARM9與嵌入式Linux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行控制，便于集成和管理。

二、超聲波傳感器選擇

選用高精度的超聲波傳感器，如SRF05，其測(cè)距精度可達(dá)1cm。這種傳感器具有特殊的回波反饋與測(cè)距方式，雖然在ARM中實(shí)現(xiàn)稍有難度，但其高精度特性使得可以替代近距離測(cè)距的紅外測(cè)距模塊，從而節(jié)約硬件資源。

三、超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的基本原理是：超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播遇到障礙物后反射回來，傳感器接收反射波。通過測(cè)量超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差T，以及超聲波在介質(zhì)中的傳播速度v，可以計(jì)算出傳感器到障礙物的距離S。計(jì)算公式為：S=Tv/2。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響，因此通常使用公式v=331.5√(1+T/273) m/s來計(jì)算不同溫度下的超聲波速度，其中T為攝氏溫度。在室內(nèi)溫度下，超聲波速度近似為343.2m/s。

四、超聲波測(cè)距的軟件實(shí)現(xiàn)

1. 回波檢測(cè)：

• 超聲波的回波檢測(cè)是難點(diǎn)之一，因?yàn)锳RM中一個(gè)端口設(shè)置中斷只能設(shè)置一種觸發(fā)方式。為了實(shí)現(xiàn)上升沿和下降沿的捕獲，可以采用軟件方式實(shí)現(xiàn)。

• 首先設(shè)置兩個(gè)時(shí)間延遲函數(shù)usdelay()和msdelay()，用于在給出高脈沖后等待超聲波觸發(fā)，并打開定時(shí)器計(jì)時(shí)。

• 外部中斷eint1接到超聲波傳感器的echo口，并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。當(dāng)下降沿來臨時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器并讀出脈寬的時(shí)間長度。

2. 超聲波觸發(fā)與回波檢測(cè)：

• 提供一個(gè)10us的脈沖觸發(fā)超聲波傳感器，傳感器會(huì)發(fā)出8個(gè)周期的頻率為40kHz的超頻脈沖。此時(shí)echo口上的電平變?yōu)楦?，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。

• 當(dāng)echo變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，證明有障礙物存在，此時(shí)停止計(jì)時(shí)。高脈沖的寬度與測(cè)距的距離成正比。

• 如果沒有障礙物或障礙物大于傳感器的最大測(cè)距范圍（如SRF05的有效測(cè)距范圍為1cm~4m），echo口依然會(huì)在一段時(shí)間后變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)定時(shí)器的時(shí)間為30ms。因此，在測(cè)距時(shí)定時(shí)器的周期應(yīng)大于30ms，以確保有效測(cè)距。

3. 距離計(jì)算：

• 根據(jù)測(cè)得的高電平時(shí)間T和超聲波速度v，可以計(jì)算出障礙物的距離S。

• 需要注意的是，由于超聲波傳播過程中可能存在衰減和干擾，因此測(cè)得的距離可能存在一定的誤差。為了提高測(cè)距精度，可以采用多次測(cè)量取平均值的方法。

五、機(jī)器人控制實(shí)現(xiàn)

1. 避障算法：

• 在Linux系統(tǒng)中，超聲波傳感器作為只讀的字符設(shè)備。應(yīng)用程序通過打開超聲波設(shè)備并讀取測(cè)距數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用避障算法判斷障礙物的位置。

• 根據(jù)算法判斷結(jié)果，給直流電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行避障導(dǎo)航。避障算法可以采用簡(jiǎn)單的閾值判斷、模糊控制或PID調(diào)節(jié)等方法。

2. 觸摸屏指令設(shè)置：

• 觸摸屏中的圖形界面包含機(jī)器人的指令設(shè)置功能。用戶可以設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)行速度、圖像采集與超聲波模塊的打開與關(guān)閉、是否開啟機(jī)器人模糊算法運(yùn)行軌跡等。

• 這些設(shè)置使得機(jī)器人可以根據(jù)不同的環(huán)境和任務(wù)需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

3. 圖像采集與傳輸：

• 在遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人可以開啟攝像頭圖像采集模塊，拍攝障礙物的圖像。

• 利用無線MODEM將圖像傳回控制電腦，以便用戶了解前方障礙物的具體情況。

六、系統(tǒng)優(yōu)化與調(diào)試

1. 多傳感器融合：

• 為了提高導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，可以采用多傳感器融合的方法。例如，結(jié)合紅外傳感器、激光傳感器或視覺傳感器等，共同構(gòu)建機(jī)器人的環(huán)境感知系統(tǒng)。

• 通過多傳感器數(shù)據(jù)的融合處理，可以得到更加全面和準(zhǔn)確的環(huán)境信息，從而提高機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力。

2. 輪詢測(cè)距與干擾避免：

• 由于超聲波傳感器之間可能存在干擾，因此采用輪詢的方式依次打開傳感器進(jìn)行測(cè)距。每次只測(cè)一個(gè)傳感器，以避免相互干擾。

• 通過控制定時(shí)器的周期和輪詢順序，可以確保所有傳感器都能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)距任務(wù)，并滿足實(shí)時(shí)性要求。

3. 系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化：

• 在系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試過程中，需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行逐一測(cè)試和優(yōu)化。確保每個(gè)模塊都能正常工作并滿足設(shè)計(jì)要求。

• 同時(shí)，還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試和調(diào)試，以確保各個(gè)模塊之間的協(xié)同工作和整體性能的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述，采用超聲波的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航設(shè)計(jì)方法涉及多個(gè)方面的技術(shù)和知識(shí)。通過合理的系統(tǒng)架構(gòu)、高精度的傳感器選擇、準(zhǔn)確的測(cè)距原理和軟件實(shí)現(xiàn)、靈活的機(jī)器人控制實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的優(yōu)化與調(diào)試等措施，可以構(gòu)建出一個(gè)穩(wěn)定可靠的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。