水下清污機(jī)器人避障控制設(shè)計(jì)
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廖偉強(qiáng)1，羅智蕓2，徐素梅2
（1．中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400;2．中山市中等專業(yè)學(xué)校，廣東 中山 528400）
摘要：障礙檢測避讓是水下清污機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵問題。分析了機(jī)器人障礙的特點(diǎn)和檢測方法，確定了障礙控制的方案，設(shè)計(jì)了檢測電路和控制程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的障礙避讓和控制。
關(guān)鍵詞：水下清污；障礙檢測；水下機(jī)器人；避障控制 中圖分類號(hào)：TP242.6
0引言
水下清污機(jī)器人是一種在水下行走并進(jìn)行清污的機(jī)器人。以往的水下清污機(jī)器人大多以人力拖動(dòng)或操作人員在岸上通過觀測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)操控。該方式效率不高而且需增加人工成本，已不能滿足新時(shí)代下對智能設(shè)備的要求。
機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)過程中有可能遇到立柱、墻壁、樹干等障礙物，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)作業(yè)或者對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操拭則必須保證機(jī)器人在水下正常行走時(shí)不出現(xiàn)碰撞、堵死或卡死等情況，因此障礙的檢測與避讓是必須面對和必須解決的問題。
1 障礙檢測
運(yùn)動(dòng)物體的障礙檢測主要有接觸檢測和非接觸檢測兩大類，接觸檢測主要有微動(dòng)開關(guān)檢測、壓力傳感器檢測和加速度檢測；非接觸式檢測主要有紅外檢測、循跡檢測、超聲波檢測和接近開關(guān)檢測等幾種。
接觸式檢測的3種方式均需要使機(jī)器人直接接觸到障礙物，并利用與障礙物接觸過程中產(chǎn)生的相互作用力，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行障礙檢測。為了不增加機(jī)器人的整體尺寸，一般將檢測裝置直接安裝在機(jī)器人主體并浸泡于水中。這類測試方法往往需要機(jī)器人進(jìn)行緊急制動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的慣性甚至碰撞，會(huì)對機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及其使用壽命造成影響。
采用非接觸式的檢測方法時(shí)，傳感器均不需要與障礙物進(jìn)行直接的接觸，但從安裝的角度來說其均不太適合安裝于水下。如果一定要安裝于水下，則成本會(huì)較高，且檢測精度會(huì)下降，因此可以考慮將其安裝于水面與機(jī)器人同步運(yùn)行。在這幾種方式中又以超聲波檢測效果最好。因?yàn)榧t外檢測會(huì)受到光照的影響，循跡檢測需要在水下布設(shè)循跡識(shí)別物，接近開關(guān)檢測則需要與障礙物非常接近，均有各種不足。而超聲檢測，則不需要考慮這些因素，且可以較準(zhǔn)確地測量出障礙物與機(jī)器人的距離，根據(jù)需要控制指令任意設(shè)定避障方案。
2控制電路
在使用超聲波進(jìn)行障礙測量時(shí)，采用HC-SR04超聲檢測模塊，其模塊電路如圖1所示。使用51系列單片機(jī)作為主控電路，經(jīng)MAX232芯片進(jìn)行信號(hào)調(diào)制后輸送到超聲波發(fā)生頭使其產(chǎn)生超聲信號(hào)，通過一個(gè)PNP的三極管控制超聲信號(hào)的電源通斷，然后通過一款74系列的芯片對接收信號(hào)調(diào)制處理后輸送給單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的讀取和運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果反饋給J1端口，用于與外部設(shè)備進(jìn)行通訊。模塊的實(shí)物如圖2所示。
該模塊采用IO觸發(fā)方式進(jìn)行控制，通過單片機(jī)的JO口將TRIG引腳拉低，然后由單片機(jī)給出一個(gè)10 μs以上的脈沖信號(hào)，模塊便發(fā)送8個(gè)40 kHz的超聲方波信號(hào)，并自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。其測試的距離為：
其中：s為測試距離，m; v為聲音的速度，m／s; t為高電平時(shí)間，s。
實(shí)際使用中可以根據(jù)測量到的障礙距離和機(jī)器人的運(yùn)行速度來決定機(jī)器人何時(shí)進(jìn)行減速和停止運(yùn)行，或者拐彎避讓。
3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
根據(jù)超聲波模塊觸發(fā)和信號(hào)讀取的要求，使用單片機(jī)與其進(jìn)行通訊，并進(jìn)行測量距離的計(jì)算，根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)控制機(jī)器人的下一步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
控制程序流程如圖3所示，首先定義好端口和功能寄存器，然后給超聲波模塊發(fā)送20μs的觸發(fā)信號(hào)，接著等待檢測反饋信號(hào)。在此通過設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，使用單片機(jī)的定時(shí)器中斷作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)測量信號(hào)反饋時(shí)間的計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)。計(jì)時(shí)完畢后將測試數(shù)據(jù)代入公式(1)進(jìn)行障礙距離的計(jì)算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理以決定機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)控制方式，從而達(dá)到障礙檢測和避障運(yùn)動(dòng)控制的目的。
4結(jié)束語
水下清污機(jī)器人的障礙檢測和避讓可以用各種不同的方法來實(shí)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)速度不是很高以及對控制精度要求不高的情況下，采用水面隨動(dòng)超聲波檢測及控制的方法很好地實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人的清污運(yùn)動(dòng)控制。
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