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垃圾 拾捡 机器人

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第35卷 第9期2 0 0 3年9月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol135No19Sep. , 2003全自主足球机器人的超声波定位避障系统黄庆成,洪炳, Javaid Khurshid ,高庆吉,朱 莹,阮玉峰(哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨150001)摘 要:为实现全自主足球机器人的定位和避障,介绍了超声波定位避障系统的体系结构,说明了超声波传感器的这种分布应用于足球机器人的必要性及这种结构的优点.针对超声波传感器测量数据变化较大和时常出现粗大误差的特点,引入了剔除不合理数据后再进行平均的思想,可以明显地提高测量数据的准确性和可靠性.实验数据证明了算法的可行性.关键词:定位避障;单片机;超声波测距;自主足球机器人中图分类号: TP24文献标识码: A文章编号: 0367 - 6234(2003)09 - 1077 - 03Ultrasonic location and obstacle avoidance device forautonomous soccer robotHUANGQing2cheng , HONGBing2rong , Javaid Khurshid , G AO Qing2ji , ZHU Ying , RUAN Yu2feng(School of Computer Science and Technology , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , China )Abstract : The architecture of ultrasonic location and obstacle avoidance device and the necessity of the sensor in2stallation in the soccer robot as well as advantages of this structure are discussed. The data processing method usedin the ultrasonic location and obstacle avoidance device is different from the traditional method in allusion to the fea2tures of the large data change and usually appearing big error during the measurement of ultrasonic sensor , and anidea of eliminating the unreasonable data before equalization is proposed to improve the accuracy and reliability ofthe measured data. The feasibility of the method is proved using experimental data.Key words : location and obstacle avoidance; MCU; ultrasonic distance measurement ; autonomous soccer robot收稿日期: 2003 - 06 - 20.基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(863 -2001AA422270) .作者简介:黄庆成(1965 - ) ,男,博士后,副教授;洪炳(1937 - ) ,男,博士,教授,博士生导师. 自主式机器人导航的实时性和避障的可靠性,要求获取环境信息的传感器既要有足够的视场用以覆盖整个工作空间来获得完整的环境信息,又要具有较高的采集信息速率以保证机器人运动时能提供实时的信息1.因此,自主机器人需要装备各种各样的传感器来获取环境信息以确定自身的位置(定位)和绕开障碍物(避障) ,其中比较常用的传感系统是视觉系统和超声波测距系统2 ,3.足球机器人的智能和适应性,表现在足球机器人在场上奔跑时,随时随地需要判定自身与周围环境的位置关系,以便选择路径或作出正确决策.针对足球机器人测距定位和避障的特殊要求,导航定位传感器应采用视觉传感器(CCD)和超声波传感器,并将2种传感器采集的信息进行合成,以求得当前的位置信息和与其他对象的接近程度.本文讨论的就是合理安排超声波传感器的布局,利用超声波测距方法,实现全自主足球机器人的定位和避障.1 超声波定位避障系统的体系结构超声测距是一种非接触的检测方式,在近距范围内有不受光线影响、 结构简单、 成本低等特点,因此得到了广泛的应用4.全自主足球机器人与一般的智能机器人相比,由于是在竞争对抗的球场环境中运行,需要它具有更大的灵活性.如图1所 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.示,除了在全自主足球机器人的前、 后、 左、 右安放了超声波传感器外,在机器人的左前、 右前、 左后、右后对称的位置上也安放了传感器.这种结构的最大优点是足球机器人在快速前行时,使用7组、0组、1组、2组、3组及5组超声波传感器进行定位和避障;在快速后退时,使用3组、4组、5组、6组、7组及1组超声波传感器进行定位和避障.对于任意的位姿,可以选用相应的超声波传感器组进行定位和避障,避免了机器人经常转身,节省了时间,提高了机器人的灵活性.图1 超声波定位避障系统的体系结构Fig. 1Architecture of ultrasonic location and obstacleavoidance device2 超声波定位避障的硬件结构超声波测距的原理是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波5 - 7,测出发射和接收回波的时间差T,距离S = TV/ 2(V为超声波波速) .由于超声波也是一种声波,其声速V与温度有关,在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的,这样检测出超声波发送与接收的往返时间就可以测量出距离.超声波定位避障系统的硬件原理如图2所示,其中的单片机选用台湾Winbond公司生产的78E58 ,音频译码器使用LM567 ,超声波发射器的型号为T40 - 16 ,接收器的型号为R40 - 16.3 超声波定位避障的软件系统图3是超声波定位避障系统数据采集与处理的软件流程图.程序开始后首先选取传感器组,也就是确定当前需要使用的超声波传感器组.然后设定测量次数,一般使用奇数以方便求得中间值.接下来要根据测量次数得到相应的n个数据,此时不能直接对n个数据进行平均,而应该对n个数据进行排序得到中间值,再根据中间值剔除不图2 超声波定位避障系统的硬件原理示意图Fig. 2Hardware principle sketch of ultrasonic locationand obstacle avoidance device图3 数据采集与处理软件流程图Fig. 3Software flow chart of data acquiring andprocessing8701哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第35卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.合理数据,再平均计算出所测的距离,这样可以明显地提高测量数据的准确性和可靠性.4 实 验全自主足球机器人比赛的测量数据如表1所示.由于机器人足球比赛的场地四周设有围墙,最大长度是212 m ,超过该值的数据可以当作无穷大处理.由表1实验数据可看出,当测量距离超过120 cm时,数据跳动较大;当测量距离超过140 cm时,测量误差很大.考虑到探头偏离不正对物体时,回波效果不好或根本没有回波,距离越远效果越差,此时需要调整足球机器人的位姿后再进行测定.表11号传感器测量数据Table 1Measurement Data of No. 1 sensor cm5 结 论(1)在环境温度变化很小的条件下,利用本方法最小测量距离为10 cm ,最大测量距离最好不超过100 cm ,而此测量范围正好可以满足足球机器人定位和避障的要求.(2)本文提出的先剔除每一个不合理数据,然后再平均其余数据的思想,可以应用于其他需要超声波定位和避障的自主型智能机器人上.(3)虽然利用全自主足球机器人的超声波定位和避障系统所得的数据精度不很高,但是测距速度较快,在测距速度要求不高时,可采用数据拟合补偿算法大大提高测量精度.参考文献:1 王火亮,孙守迁.基于超声波传感器测距的家用自主式移动吸尘器路径规划算法J .计算机应用研究, 2002 , 19(8) : 57 - 61.2ABIDI M A , G ONZALEZ R C. The use of multisensor da2ta for robotic application J .IEEE Transactions onRobotics and Automation , 1990 , 6(2) : 159 - 177.3 彭 刚,黄心汉,王 敏,等.基于视觉引导和超声测距的运动目标跟踪和抓取J .高技术通讯,2002 , 12 (6) : 74 - 78.4 童 峰,许水源,许天增.一种高精度超声波测距处理方法J .厦门大学学报(自然科学版) , 1998 , 37(4) : 507 - 512.5 童 峰,许天增.一种移动机器人超声波导航系统J .机器人, 2002 , 24(1) : 55 - 57.6 潘宗预,潘 登.超声波