清污机器人智能避障控制设计探讨

撰文/石宇轩

■256603 山东省滨州市北镇中学 山东 滨州



清污机器人智能避障控制设计探讨

撰文/石宇轩

■256603 山东省滨州市北镇中学 山东 滨州

智能清污机器人可代替人力自动进行复杂水域环境清污作业，为避免机器人在水下运行出现问题，必须要加强机器人智能避障控制设计。本文通过有效控制设计，实现了机器人对障碍的智能避让。关键词：水下清污；清污机器人；智能避障控制

随着现代信息和科学技术的飞跃发展，机器人在社会经济、生活各领域的应用越来越广泛。以前的水下清污机器人，由于智能化水平不高，大多都需要人力进行拖动行走，或者由人工在岸上根据机器人运动情况进行实时操控。本文所研究的清污机器人，是一种能在水下自动行走并进行清洁工作的机器人，可以有效代替人力在复杂水域进行水下清污作业。这种清污机器人具有智能化水平高、控制灵活、工作效率高、成本低等优点，可充分满足新时期水域清污和水域环境养护工作的需求。清污机器人在水下作业过程中，可能会遇到立柱、墙壁、树干等障碍物，如何提高清洁机器人智能避障控制设计水平，保证机器人在水下行走中不会出现碰撞、堵死或卡死等情况，是当前清洁机器人研究的重点和难点。本文主要针对水下清污机器人智能避障控制设计问题进行探讨。

水下清污机器人智能避障控制设计

a障碍检测

运动物体的障碍检测主要分为接触检测和非接触检测两种，前者可细分为微动开关检测、压力传感器检测和加速度检测等几种；后者可细分为红外检测、循迹检测、超声波检测和接近开关检测等几种。接触式检测的原理是机器人在接触到障碍物后，通过与障碍物产生互相作用力，并将这种作用力转换为电信号，从而完成障碍检测。接触式检测一般都直接安装在机器人主体并浸泡于水中，检测精度良好，只要遇到障碍物，机器人就会紧急制动，其缺点是会因较大的惯性而导致机器人与障碍物发生碰撞，影响机器人结构、性能稳定，降低机器人的使用寿命。非接触式的检测方法是通过传感器来检测障碍物，机器人不需要与障碍物进行直接接触，其缺点是不太适宜安装在水下。如果安装在水下，不仅检测精度会下降，而且投入成本也将较大。故可将其安装于水面之上，使其保持与机器人同步运行。在非接触式检测方法中，超声波检测效果最好，不需要考虑光照影响，也不需要在水下布设循迹识别物，更不需要非常接近障碍物等，就能比较准确地测量出障碍物与机器人的距离，同时，根据需要控制指令自动设定避障方案。

b控制电路

在利用超声波进行障碍检测的过程中，采用HC-SR04超声检测模块。主控电路为51系列单片机，通过MAX232芯片进行信号调制，然后将信号输送到超声波发生头，形成超声信号，利用PNP三极管控制超声信号的电源通断，同时，利用74系列的芯片对接收信号进行调制处理，之后，将其输送给单片机读取和运算，最后，计算结果将反馈到J1端口，从而实现与外部设备通讯。模块示意图见图1所示。模块控制通过IO触发方式实现，利用单片机的IO口将TRIG引脚拉低，在此基础上，单片机给出一个10sµ 以上的脉冲信号，模块便发送8个40kHz的超声方波信号，并自动检测是否有信号返回。如果检测到有信号返回，系统就通过IO输出一高电平，高电平持续的时间为超声波发射到返回所用的时间。测试距离可表示如下：

其中，s表示测试距离，m、v表示声音的速度，m/s表示高电平时间。

图1　超声检测模块

在实际应用过程中，可以根据测量到的障碍距离和机器人的运行速度，来控制机器人减速、拐弯避让或停止运行的时间。

c应用程序设计

控制程序依据超声波模块触发和信号读取要求，通过单片机与其实现通讯，同时，对机器人与障碍物的距离进行测量，控制机器人的下一步运动状态。具体流程见图2所示。首先，对端口和功能寄存器进行定义，向超声波模块发送20sµ 的触发信号，并等待检测反馈信号。设置定时器参数，以单片机的定时器中断来作为计时基准，从而实现测量信号反馈时间的计时统计。完成计时之后，将测试数据代入公式（1），就可以计算障碍距离，控制机器人避障运动。

图2　控制程序流程

结语

清污机器人的障碍检测和智能避让，能有效提高机器人的工作效率和使用寿命，在运动速度适宜的情况下，利用水面随动超声波检测，可以较好地实现水下清污机器人智能避障控制。

参考：

［1］王晓芳.智能机器人的现状、应用及其发展趋势［J］.科技视界，2015，33：98-99.

［2］梁辰滔，闫娟，张浩，陈荣华，何涛.环保型复合式避障清洁机器人的设计［J］.机械工程师，2015，10：193-194.