摘要：采用新型的超聲波傳感器，設(shè)計并開發(fā)基于ARM9與嵌入式linux為平臺的輪式移動機器人平臺的下的未知環(huán)境的避障導(dǎo)航系統(tǒng)。本文重點介紹該超聲波傳感器的實現(xiàn)原理以及在機器人平臺中的整個軟件實現(xiàn)流程以及控制機器人行走的實現(xiàn)方法。
　　
　　1、引言
　　
　　在項目開發(fā)中采用從英國進口的SRF05超聲波傳感器，它的回波反饋與測距方式與通常使用的超聲波傳感器相比較特別，在ARM中實現(xiàn)也稍有難度，但該傳感器精度很高可達到1cm,因此用該傳感器去掉了用于近距離測距的紅外測距模塊節(jié)約了硬件資源。
　　
　　該機器人的zui小系統(tǒng)為，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)，在整個系統(tǒng)中測距是zui總要的一環(huán)，它直接影響電機運行距離的精度，在有效范圍內(nèi)的圖像采集控制。整個系統(tǒng)都是在ARM9與linux平臺中完成，每個模塊都是用設(shè)備驅(qū)動的方式實現(xiàn)使得模塊的控制更加方便。
　　
　　2、SRF05超聲波測距方法
　　
　　提供一個10us的脈沖觸發(fā)超聲波傳感器，SRF05會發(fā)出8個周期的頻率為40khz的超頻脈沖，此時在echo也是就回波口上的電平變?yōu)楦?，此時定時器開始計時，等到echo變?yōu)榈碗娖阶C明有障礙物此時停止計時，高脈沖的寬度有測距的距離成正比，該超聲波的有效測距范圍為1cm~4m,因此如果沒有障礙物或障礙物大于4m,echo依然會變?yōu)榈碗娖酱藭r定時器的時間為30ms,因此在測距時定時器的周期應(yīng)大于30ms這樣才能有效測距。
　　
　　原理如圖1所示。　　
　　3、超聲波測距軟件實現(xiàn)
　　
　　如圖2為超聲波測距的流程圖。　　
　　3.1回波檢測的采集方法
　　
　　超聲波的回波的檢測是個難點，因為在ARM中一個端口設(shè)置中斷只能設(shè)置一種觸發(fā)方式，如果設(shè)為上升沿觸發(fā)可以打開定時器定時但無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時器，從而不能測距，因此用軟件的方式實現(xiàn)。首先設(shè)置兩個時間延遲函數(shù)usdelay（）和msdelay（），這樣可以在給出高脈沖10us后等超聲波觸發(fā)再打開定時期計時，在設(shè)置一個外部中斷eint1接到超聲波傳感器的echo口并設(shè)置為下降沿觸發(fā)，等下降沿來臨關(guān)閉定時器讀出值既為脈寬的時間長度，然后根據(jù)障礙物的距離=（ECHO高電平的時間）*聲納速度/2得出距離。空氣中v與溫度關(guān)系：v=331.5√1+T/273m/s,T為攝氏溫度。一般情況下超聲波速近似聲速，在室內(nèi)溫度影響下取約343.2m/s.
　　
　　3.2超聲波觸發(fā)的實現(xiàn)
　　
　　利用數(shù)字示波器設(shè)計一個軟件計時函數(shù)usdelay，具體實現(xiàn)如下。　　
　　則usdelay（1）既為10us,該函數(shù)用于在給出激發(fā)高脈沖后延續(xù)10us然后關(guān)脈沖。
　　
　　還要設(shè)計一個msdelay（）用于控制整個測距周期的時間值。
　　
　　msdelay（1000）在主函數(shù)數(shù)中用于延遲1s,這樣定時器可以*有足夠的回波檢測時間同時也不會對其它三路超聲波信號造成干擾。
　　
　　如下所示。　　
　　3.3超聲波回波檢測的實現(xiàn)
　　
　　回波檢測計算脈寬的時間需要用到定時器和外部中斷，外部中斷接超聲波的echo并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。定時器的初始化如下。
　　
　　rTCFG0=0x9595;//預(yù)分頻值為95
　　
　　rTCFG1=0x00000;//分割值1/2
　　
　　rTCNTB0=10000;/
　　
　　根據(jù)T=[TCNTB0*（TCFG0+1）*（1/TCFG1）]/50MHZ得出定時器的周期為60ms在這個時間段里足以計算回波時間。
　　
　　外部中斷1初始化如下
　　
　　rGPFCON=0xaa;//GPF1設(shè)置為EINT1
　　
　　rINTMOD=0x0;//設(shè)置為普通中斷
　　
　　rGPFUP=0xf;//禁止GPF0上拉電阻
　　
　　pISR_EINT1=（unsigned）Eint1Handler;//建立中斷向量
　　
　　EnableIrq（BIT_EINT1）；//使能中斷
　　
　　rEXTINT0=0x492;//EINT1下降沿觸發(fā)
　　
　　根據(jù)T=[TCNTB0*（TCFG0+1）*（1/TCFG1）]/50MHZ得出定時器的周期為60ms在這個時間段里足以計算回波時間。
　　
　　3.4在外部中斷中計算機距離

　　
　　3.5循環(huán)控制與輪詢測距
　　
　　由于超聲波之間有干擾，采用輪詢的方式依次打開超聲波，每次只測一個，這樣可以有效地避免干擾，為了提高實時性可以控制定時器周期，比如設(shè)置為35ms,這樣四路超聲波輪詢一次大約為140ms,足以滿足實時要求。
　　
　　4、機器人控制的實現(xiàn)
　　
　　圖3為利用超聲波的反饋信息控制機器人直流電機閉環(huán)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。　　
　　linux系統(tǒng)中超聲波傳感器為只讀的字符設(shè)備，具體應(yīng)用為在應(yīng)用程序下打開超聲波設(shè)備，然后在驅(qū)動中測距，測得的數(shù)據(jù)傳到應(yīng)用程序，應(yīng)用程序中有超聲波的避障算法，根據(jù)算法判斷障礙物的位置給直流電機控制信號進行避障導(dǎo)航。
　　
　　觸摸屏中的圖形界面中含有機器人的指令設(shè)置，可以設(shè)置運行速度，圖像采集與超聲波模塊的打開與關(guān)閉，是否開啟機器人模糊算法運行軌跡還是使用普通的PID調(diào)節(jié)，這使得機器人有很多種方案可以選擇。
　　
　　機器人的每一次行為都是根據(jù)超聲波傳感器測得的值和當(dāng)前機器人運行的即時速度來來給出將要運行的時間，在遇到障礙物時（0<t<30us等于30微秒時達到超聲波的zui大探測距離），開啟攝像頭圖像采集模塊，這時攝像頭會拍下障礙物的圖像，并利用無線MODEM把圖像傳回控制電腦，這樣用戶就可以知道前方是什么障礙物，該系統(tǒng)實現(xiàn)了移動機器人的自主避障和采集障礙物信息的作用，可以用來探測未知環(huán)境。
　　
　　5、結(jié)論
　　
　　本文采用新型的超聲波傳感器，在ARM9與嵌入式linux為平臺的移動機器人上實現(xiàn)了超聲波的測距，并利用超聲波傳感器控制運動系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。該機器人目前已經(jīng)成功應(yīng)用與本項目的開發(fā)并取得良好的效果。
　　
　　本文創(chuàng)新點：采用一種精度高的新型超聲波傳感器，用軟件方法克服了它在ARM9中不利于檢測回波的問題，成功應(yīng)用于移動機器人的運行軌跡控制，使得機器人無論在行走和圖像采集的即時性上都得到了很大的高。