原標題：采用超聲波的移動機器人導航設計方法

采用超聲波的移動機器人導航設計方法主要依賴于超聲波傳感器的測距原理，并結合機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)自主導航。以下是一個基于超聲波的移動機器人導航設計的詳細方法：

一、系統(tǒng)架構

移動機器人的導航系統(tǒng)通常包括觸摸屏模塊、超聲波模塊、攝像頭圖像采集模塊、直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)等。這些模塊在ARM9與嵌入式Linux平臺上實現(xiàn)，每個模塊通過設備驅動的方式進行控制，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，其測距精度可達1cm。這種傳感器具有特殊的回波反饋與測距方式，雖然在ARM中實現(xiàn)稍有難度，但其高精度特性使得可以替代近距離測距的紅外測距模塊，從而節(jié)約硬件資源。

三、超聲波測距原理

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

在實際應用中，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來計算不同溫度下的超聲波速度，其中T為攝氏溫度。在室內溫度下，超聲波速度近似為343.2m/s。

四、超聲波測距的軟件實現(xiàn)

1. 回波檢測：

• 超聲波的回波檢測是難點之一，因為ARM中一個端口設置中斷只能設置一種觸發(fā)方式。為了實現(xiàn)上升沿和下降沿的捕獲，可以采用軟件方式實現(xiàn)。

• 首先設置兩個時間延遲函數(shù)usdelay()和msdelay()，用于在給出高脈沖后等待超聲波觸發(fā)，并打開定時器計時。

• 外部中斷eint1接到超聲波傳感器的echo口，并設置為下降沿觸發(fā)。當下降沿來臨時，關閉定時器并讀出脈寬的時間長度。

2. 超聲波觸發(fā)與回波檢測：

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

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

• 如果沒有障礙物或障礙物大于傳感器的最大測距范圍（如SRF05的有效測距范圍為1cm~4m），echo口依然會在一段時間后變?yōu)榈碗娖剑藭r定時器的時間為30ms。因此，在測距時定時器的周期應大于30ms，以確保有效測距。

3. 距離計算：

• 根據(jù)測得的高電平時間T和超聲波速度v，可以計算出障礙物的距離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，因此測得的距離可能存在一定的誤差。為了提高測距精度，可以采用多次測量取平均值的方法。

五、機器人控制實現(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備。應用程序通過打開超聲波設備并讀取測距數(shù)據(jù)，然后應用避障算法判斷障礙物的位置。

• 根據(jù)算法判斷結果，給直流電機控制信號進行避障導航。避障算法可以采用簡單的閾值判斷、模糊控制或PID調節(jié)等方法。

2. 觸摸屏指令設置：

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

• 這些設置使得機器人可以根據(jù)不同的環(huán)境和任務需求進行靈活調整。

3. 圖像采集與傳輸：

• 在遇到障礙物時，機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)化與調試

1. 多傳感器融合：

• 為了提高導航系統(tǒng)的準確性和可靠性，可以采用多傳感器融合的方法。例如，結合紅外傳感器、激光傳感器或視覺傳感器等，共同構建機器人的環(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確的環(huán)境信息，從而提高機器人的自主導航能力。

2. 輪詢測距與干擾避免：

• 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行測距。每次只測一個傳感器，以避免相互干擾。

• 通過控制定時器的周期和輪詢順序，可以確保所有傳感器都能在規(guī)定的時間內完成測距任務，并滿足實時性要求。

3. 系統(tǒng)調試與優(yōu)化：

• 在系統(tǒng)開發(fā)和調試過程中，需要對各個模塊進行逐一測試和優(yōu)化。確保每個模塊都能正常工作并滿足設計要求。

• 同時，還需要對整個系統(tǒng)進行綜合測試和調試，以確保各個模塊之間的協(xié)同工作和整體性能的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述，采用超聲波的移動機器人導航設計方法涉及多個方面的技術和知識。通過合理的系統(tǒng)架構、高精度的傳感器選擇、準確的測距原理和軟件實現(xiàn)、靈活的機器人控制實現(xiàn)以及系統(tǒng)的優(yōu)化與調試等措施，可以構建出一個穩(wěn)定可靠的移動機器人導航系統(tǒng)。