機(jī)器人多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、機(jī)器人非視覺傳感器采集系統(tǒng)引言引言n 在全自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人需要實(shí)時(shí)地采集未知環(huán)境中的信息，以完成避障、定位、導(dǎo)航、環(huán)境地圖繪制等任務(wù)，然后進(jìn)行路徑規(guī)劃等工作。這些任務(wù)必須依靠能實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來完成。n 為了在復(fù)雜環(huán)境中獲取更有效的信息， 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)往往安裝了種類各異的傳感器。目前，各種機(jī)器人上常用的有視覺、激光、紅外、超聲等傳感器。激光傳感器價(jià)格昂貴，而且在室內(nèi)的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中存在鏡面反射的問題。同時(shí)，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)，被廣泛地應(yīng)用到機(jī)器人感知系統(tǒng)中。由于視覺信息量巨大，將由專門的嵌入式采集電路進(jìn)行處理。本系統(tǒng)將只對(duì)紅外、超聲、方位等非視

2、覺傳感器的信息進(jìn)行采集和預(yù)處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)n整個(gè)多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。n從圖中可以看出，系統(tǒng)由dsp 主控制器、超聲波環(huán)境探測電路、紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路、方位傳感器數(shù)據(jù)采集電路和通訊模塊等部分組成。n系統(tǒng)的核心為tms320lf2407a，主要完成對(duì)各種傳感器的控制，信號(hào)的發(fā)射與接收，信息融合及與上位機(jī)進(jìn)行通訊等功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路n超聲波探測電路主要由超聲波多路選通電路和超聲波傳感器電路等模塊組成。n移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中需要實(shí)時(shí)地了解環(huán)境信息，常常根據(jù)實(shí)際需要將超聲傳感器均勻或者有重點(diǎn)地布置在機(jī)器人四周，從而構(gòu)成環(huán)

3、境探測系統(tǒng)。n在我們自行研制的全自主機(jī)器人中，我們采用16棱柱的結(jié)構(gòu)，將超聲波傳感器均勻分布在機(jī)器人的四周。超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路273/1*4 .331tcn超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時(shí)間法，即： n d = ct / 2n其中d為傳感器與被測障礙物之間的距離，c為聲波在傳播介質(zhì)中的傳播速率。聲波在空氣中的傳輸速率為：n其中，為傳播介質(zhì)的絕對(duì)溫度。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時(shí)間法主要是測量超聲波從發(fā)射到返回之間的時(shí)間間隔t，即“渡越時(shí)間”，然后根據(jù)公式計(jì)算距離。 超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路n超聲測距傳感器一般分為通用型超聲傳感器和

4、寬帶型超聲傳感器。通用型超聲傳感器只有一個(gè)諧振頻率，接收和發(fā)射傳感器是分開工作的，也就是平時(shí)所說的收發(fā)異體型傳感器。寬帶型超聲傳感器由于具有兩個(gè)諧振點(diǎn)，所以一個(gè)傳感器可兼作接收與發(fā)射傳感器，也就是常說的收發(fā)同體型傳感器。在我們課題組研制的aim機(jī)器人上應(yīng)用的是通用型超聲傳感器。n超聲傳感器的基本特性有：頻率特性和指向特性。 超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路n頻率特性頻率特性 超聲發(fā)射器的頻率特性曲線如圖所示。圖中，f0為超聲發(fā)射器的中心頻率，在f0處超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的聲壓能級(jí)最高，而在中心頻率f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。也就是說，當(dāng)超聲發(fā)射器工作在中心頻率f0附近時(shí)，超聲傳感器的有效探測范

5、圍大，聲波最強(qiáng)；而在其它頻率點(diǎn)處時(shí)，要么探測的有效范圍縮小，要么難以達(dá)到超聲接收電路所要求的聲壓強(qiáng)度。因此，要提高超聲傳感器的工作靈敏度，一定要使用非常接近中心頻率f0的驅(qū)動(dòng)交流電壓來進(jìn)行激勵(lì)。超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路n指向特性指向特性 除頻率特性之外，指向特性也是超聲傳感器一個(gè)很重要的指標(biāo)之一。實(shí)際的超聲傳感器中壓電晶片是一個(gè)小圓片，其表面上的每個(gè)點(diǎn)都可以看作一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球狀的子波。這些子波本身并沒有指向特性，但它們迭加衍射后的結(jié)果卻可以有很強(qiáng)的指向特性，如圖所示。從圖中可以看到：超聲傳感器發(fā)射的波束是由一個(gè)主瓣和多個(gè)副瓣組成。其物理意義是：在偏離角（即偏離聲波主軸線

6、的角度）時(shí)聲壓最大；隨著偏離角的增大，聲壓逐漸減小。第一個(gè)副瓣峰值較主瓣峰值衰減了近30db，其余的副瓣衰減更大。超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路頻率特性圖指向特性圖超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路n超聲波發(fā)射過程是：首先由dsp 控制多路模擬開關(guān)，循環(huán)啟動(dòng)16路發(fā)射電路中的6 路。然后由dsp 的脈寬調(diào)制（pwm）通道產(chǎn)生脈寬為25us的40khz的調(diào)制脈沖波，經(jīng)升壓放大電路產(chǎn)生幅度達(dá)24v的瞬間高能激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)。n在我們自行研制的超聲波傳感器中，采用max232來進(jìn)行生壓放大，產(chǎn)生幅值位24v的方波。n超聲波在發(fā)射的瞬間，有部分聲波會(huì)直接進(jìn)入接收端，從而

7、產(chǎn)生很強(qiáng)的虛假反射波，造成所謂的振鈴現(xiàn)象。為了有效地避免振鈴現(xiàn)象，需要進(jìn)行軟件延時(shí)處理，從而導(dǎo)致所謂的探測“盲區(qū)”問題。n在軟件上，就是在dsp發(fā)射激勵(lì)脈沖波以后這段時(shí)間內(nèi)將相應(yīng)的cap中斷關(guān)閉，盲區(qū)間隔過了以后再將cap中斷打開。超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路盲區(qū)激勵(lì)脈沖波接收信號(hào)發(fā)射信號(hào)超聲回波虛假反射波超聲波環(huán)境探測電路超聲波環(huán)境探測電路n超聲波的接收部分必須與發(fā)射部分協(xié)調(diào)一致工作，才能保證信號(hào)準(zhǔn)確靈敏地接收。該部分主要由接收換能器、放大濾波、整形輸出等環(huán)節(jié)組成。由于超聲波在傳播過程中，能量會(huì)隨傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號(hào)一般比較弱（mv 級(jí)），需要經(jīng)過多級(jí)信

8、號(hào)放大處理。本系統(tǒng)采用了三級(jí)放大處理，將信號(hào)放大2000倍，然后經(jīng)整形電路輸出。n在我們自行研制的超聲波傳感器中，采用mc3403分別進(jìn)行100，10，2三次放大和濾波，來出發(fā)超波聲換能器。n為了滿足多種需要，我們研制的超聲波傳感器測距范圍分為2m和4.5米兩種，重復(fù)測距精度在1以內(nèi)，滿足一般移動(dòng)機(jī)器人的要求。紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路n如前所述，為解決串?dāng)_現(xiàn)象所引入的時(shí)間延遲勢必會(huì)為超聲波傳感器帶來一定的探測盲區(qū)。同時(shí)，超聲波傳感器在使用中還存在多次反射等問題。因此我們加入新的傳感器以保證探測范圍的完整性以及探測信息的正確性。紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路n為

9、了解決超聲波傳感器的盲區(qū)問題，系統(tǒng)加入了紅外測障傳感器。該模塊由16路紅外測障傳感器組成。將16路紅外測障傳感器直接接入dsp tms320lf2407a的數(shù)據(jù)口，而不使用io口，這樣既可以節(jié)約系統(tǒng)資源，又可以同時(shí)并行讀入16路紅外測障傳感器的狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該紅外測障傳感器可以在020cm的距離范圍內(nèi)判斷出障礙物的有無，很好地彌補(bǔ)了超聲波傳感器的盲區(qū)問題。n為了解決超聲波傳感器的多次反射問題，我們采用紅外測距傳感器，簡稱psd（position sensitive detector），用于距離測量。 這里不在贅述。方位傳感器數(shù)據(jù)采集電路方位傳感器數(shù)據(jù)采集電路n在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，除

10、了要對(duì)環(huán)境的距離信息進(jìn)行測量，有時(shí)還要對(duì)方位信息進(jìn)行有效的觀測或估計(jì)。對(duì)于大多數(shù)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)而言，方位信息一般通過碼盤信息間接估計(jì)得出，此種方法存在的問題是由于累計(jì)誤差的存在，造成方位角度的精度無法保證，所以我們在機(jī)器人上安裝了一種新型的方位傳感器，又稱電子羅盤。 方位傳感器數(shù)據(jù)采集電路方位傳感器數(shù)據(jù)采集電路n該方位傳感器使用飛利浦公司的kmz51磁傳感器，該磁傳感器能夠比較精確地檢測到地球磁場方向。將兩個(gè)kmz51磁傳感器按照一定的角度放置，用以計(jì)算地球磁場的水平分量方向。方位傳感器用一個(gè)pwm脈沖寬度來表示地磁場的方向。該脈沖由pic16f872微處理器的16位計(jì)時(shí)器產(chǎn)生。pwm的

11、脈寬從1ms(0度）變化到36.99ms（359度）。n在應(yīng)用中，將pwm脈沖輸入dsp的外部中斷xint，通過計(jì)算pwm脈沖的寬度，來得到當(dāng)前的方位。系統(tǒng)軟件描述系統(tǒng)軟件描述n系統(tǒng)軟件主要由主循環(huán)模塊、超聲回波中斷模塊、方位傳感器中斷模塊、通訊模塊組成。n具體如圖所示。系統(tǒng)開機(jī)系統(tǒng)初始化關(guān)cap中斷開xint1中斷產(chǎn)生pwm啟動(dòng)t2,t4盲區(qū)延時(shí)開cap中斷開t2pr中斷存儲(chǔ)紅外測障傳感器數(shù)據(jù)啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)紅外測距傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)志位全為0？數(shù)據(jù)處理yncap中斷讀定時(shí)器保護(hù)現(xiàn)場存入緩沖相應(yīng)標(biāo)志置0恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回t2pr中斷保護(hù)現(xiàn)場所有標(biāo)志置0恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回xint中斷讀定時(shí)器保護(hù)現(xiàn)場存

12、入緩沖恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回sci中斷讀命令字保護(hù)現(xiàn)場讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回向pc發(fā)數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件描述系統(tǒng)軟件描述主循環(huán)模塊主循環(huán)模塊 通過主循環(huán)模塊，tms320lf2407對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行信息采集。本系統(tǒng)用捕捉中斷cap采集超聲波傳感器的回波，用定時(shí)器t1產(chǎn)生40khz的超聲波來觸發(fā)超聲波傳感器，用定時(shí)器t2、t4來計(jì)算捕捉到超聲波回波的時(shí)間，用定時(shí)器周期中斷t2pr將所有的超聲標(biāo)志位清零，并將沒有接收到回波的超聲波傳感器的值設(shè)置為零。用外部中斷xint1來響應(yīng)方位傳感器的pwm脈沖，用定時(shí)器t3來計(jì)算該脈沖的寬度。在系統(tǒng)等待t2pr中斷發(fā)生的時(shí)候，首先從數(shù)據(jù)口讀入紅外測障傳感器的狀態(tài)，并予

13、以保存，然后進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，并保存紅外測距傳感器的值。 系統(tǒng)軟件描述系統(tǒng)軟件描述超聲回波中斷接收模塊超聲回波中斷接收模塊 利用cap 和t2pr中斷服務(wù)程序完成對(duì)超聲波渡越時(shí)間的測量。發(fā)射超聲波以后， 在定時(shí)器預(yù)定周期內(nèi)，只要有回波返回，都會(huì)觸發(fā)一次cap 中斷，此時(shí)只需將超聲波返回時(shí)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值記錄到相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可；如果是t2pr中斷，意味著障礙物距離大于最大超聲探測范圍，此時(shí)沒有任何可用的時(shí)間記錄，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零即可。系統(tǒng)軟件描述系統(tǒng)軟件描述方位傳感器中斷模塊方位傳感器中斷模塊 首先將xint1設(shè)置為上升沿中斷，xint1中斷發(fā)生的時(shí)候，t3開始計(jì)時(shí)，并將xint1設(shè)置為下

14、降沿中斷。當(dāng)xint1中斷再次發(fā)生的時(shí)候，t3停止計(jì)時(shí)，并把xint1設(shè)置為上升延中斷。如此循環(huán)，就能不斷地測量出方位傳感器的pwm脈沖寬度。系統(tǒng)軟件描述系統(tǒng)軟件描述通訊模塊通訊模塊 利用sci中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)dsp與上位pc機(jī)之間的命令字下傳和數(shù)據(jù)上傳。傳感器系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊n傳感器系統(tǒng)與上位機(jī)的通過串口以查詢應(yīng)答的方式工作進(jìn)行通訊向串口發(fā)送的命令字如下表所示，接受的數(shù)據(jù)都以55h的數(shù)據(jù)頭開始，數(shù)據(jù)頭后是若干個(gè)字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù) 。n紅外：發(fā)送00，返回55 ，55為字頭，后兩個(gè)字節(jié)代表紅外的數(shù)據(jù)（1代表有障礙，0代表無障礙），第一個(gè)字節(jié)為高位，第二個(gè)字節(jié)為低位。 n超聲：發(fā)送0118，返

15、回55 ，55為字頭，后兩個(gè)字節(jié)代表超聲的數(shù)據(jù)（表示超聲傳播的時(shí)間），第一個(gè)字節(jié)為高位，第二個(gè)字節(jié)為低位。計(jì)算公式為： 超聲數(shù)據(jù)*10*33*128*219vs傳感器系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊npsd：發(fā)送1a1d，返回55 ，55為字頭，后兩個(gè)字節(jié)代表psd的數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)為高位，第二個(gè)字節(jié)為低位。n方位：發(fā)送20，返回55 ，55為字頭，后兩個(gè)字節(jié)代表方位傳感器的數(shù)據(jù)（表示pwm波的脈寬），第一個(gè)字節(jié)為高位，第二個(gè)字節(jié)為低位。計(jì)算公式為：對(duì)應(yīng)的實(shí)際計(jì)數(shù)時(shí)間(即脈寬)為：t=(y*128)/30000（毫秒）對(duì)應(yīng)角度為：angle=(t-1)*10n遙控：發(fā)送30，返回55 ，55為字頭，后兩個(gè)字節(jié)代表遙控的數(shù)據(jù)（1代表相應(yīng)位置位），第一個(gè)字節(jié)為高位，第二個(gè)字節(jié)為低位。n電源信息：發(fā)送31，返回55 ，55為字頭，后兩個(gè)字節(jié)代表電源