梁蘭菊，楊秀成，李峰

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津　300072；2.棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊　277160)

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光電傳感導(dǎo)盲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

梁蘭菊1,2，楊秀成2，李峰2

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072；2.棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160)

采用履帶式底盤(pán)作為主體，通過(guò)GPS，電子羅盤(pán)定位，通過(guò)超聲波距離傳感器和光電傳感對(duì)行進(jìn)方向的障礙檢測(cè)，最后經(jīng)DSP對(duì)各個(gè)模塊反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理后控制履帶底盤(pán)以預(yù)設(shè)目的地為終點(diǎn)行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控，自助導(dǎo)引安全到達(dá)目的地.

導(dǎo)盲；DSP；電子羅盤(pán)；GPS；履帶①

0　引言

隨著光電傳感技術(shù)的發(fā)展，它所應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，導(dǎo)盲機(jī)器人可以幫助盲人到達(dá)指定目的地.將光電傳感技術(shù)與導(dǎo)盲機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)幫助盲人行走是本論文的主要研究?jī)?nèi)容.

1　硬件設(shè)計(jì)

1.1底盤(pán)選擇

采用定制的履帶式底盤(pán)作為動(dòng)力.金屬骨架，螺釘連接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)實(shí)易操控等特點(diǎn).雙履帶分別由兩個(gè)相同型號(hào)的的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，履帶采用防滑，成本低的塑料履帶.由于電機(jī)工作需要較大的電流，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N的驅(qū)動(dòng)模塊，最大輸出電流可達(dá)到2A安培，4路控制信號(hào)輸入，分別為兩個(gè)正轉(zhuǎn)信號(hào)，和兩個(gè)反轉(zhuǎn)信號(hào)，這四個(gè)信號(hào)分別由DSP給出.兩路12v大電流輸出，直接連接電機(jī).同時(shí)L298N有5v穩(wěn)壓功能，為控制單元提供穩(wěn)定的電源.

圖1　履帶底盤(pán)　　　　　　　　　圖2　光電對(duì)管

1.2防撞和防踏空設(shè)計(jì)

圖3是超聲波傳感器，采用四個(gè)超聲波距離傳感器分別安裝在前后左右四個(gè)方向以檢測(cè)行進(jìn)方向凸起的障礙物.聲波產(chǎn)生器產(chǎn)生8個(gè)40kHz的聲波，聲波遇到物體后反射回來(lái)，當(dāng)模塊檢測(cè)返回的聲波時(shí)給單片機(jī)P1^0引腳輸入高電平，電平持續(xù)時(shí)間等于聲波發(fā)射時(shí)間加聲波接收時(shí)間，其所測(cè)距離等于(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2;

防踏空由四個(gè)光電對(duì)管組成，圖2是光電對(duì)管分別安裝在底盤(pán)的四個(gè)角上，通過(guò)一個(gè)紅外燈泡向地面發(fā)射紅外光線，同時(shí)有一個(gè)檢測(cè)紅外的傳感器，檢測(cè)反射回來(lái)的光線，當(dāng)檢測(cè)不到時(shí)表示該方向上的路面是凹進(jìn)去的不易繼續(xù)前進(jìn)，則繞行.

圖3　超聲波傳感器　　　　　　　　　　圖4　GPS模塊

1.4GPS定位模塊

圖4是GPS模塊，采用neo-6m型GPS模塊，為了增強(qiáng)信號(hào)的收發(fā)能力，把模塊安裝在機(jī)器最上層，并加裝陶瓷天線.

1.5電子羅盤(pán)

圖5是電子羅盤(pán)安裝的位置，圖6是電子羅盤(pán)，采用GY-26型電子羅盤(pán)，是通過(guò)檢測(cè)地磁場(chǎng)判斷東西南北，為了降低機(jī)器其他模塊產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾，和機(jī)器其他金屬器件對(duì)地磁場(chǎng)的屏蔽，同時(shí)放大機(jī)器的偏離角度，用塑料條把模塊向后水平支出15cm，并保持模塊的南北軸線與機(jī)器前后方向平行.5v供電，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換同樣采用串口TXD和RXD.

圖5　電子羅盤(pán)的安裝位置　　　　　　　圖6　電子羅盤(pán)

1.6控制單元設(shè)計(jì)

圖7是控制方框圖，圖8是單片機(jī)的引腳分布和外圍電路控制單元，圖9是DSP28335模塊.由一個(gè)DSP做綜合運(yùn)算，5個(gè)單片機(jī)分管各個(gè)模塊的協(xié)作方式，大大簡(jiǎn)化程序的編寫(xiě).多個(gè)單片機(jī)分別采集超聲波模塊和光電對(duì)管以及電子羅盤(pán)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一送入DSP根據(jù)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的位置是否有障礙物是否偏離預(yù)定路線，做綜合分析處理后輸出電機(jī)的控制信號(hào)，控制電機(jī)做出正確的動(dòng)作.

圖7　控制方框圖

圖8　單片機(jī)的引腳分布和外圍電路　　　　　　圖9　DSP28335模塊

2　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1程序流程圖

圖10　導(dǎo)盲機(jī)器人程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2程序設(shè)計(jì)的總體思路

為了簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)的難度，對(duì)于導(dǎo)盲機(jī)器人的整體程序設(shè)計(jì)思路，首先根據(jù)各模塊的復(fù)雜程度給其劃分獨(dú)立的單片機(jī)，具體分配如下表1，通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制各模塊并把采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸入DSP28335模塊.各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一采用廠商提供的例程，根據(jù)自己設(shè)計(jì)的電路修改例程中的輸入輸出端口.

圖11　5塊單片機(jī)的位置和編號(hào)

單片機(jī)標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)模塊與單片機(jī)引腳連接關(guān)系單片機(jī)1GPS模塊P1^0=TXDP1^1=RXDP3^4=PPS單片機(jī)2電子羅盤(pán)P1^0=TXP1^1=RX單片機(jī)3超聲波1超聲波2P1^0=EchoP1^1=Trig單片機(jī)4超聲波3超聲波4P1^0=EchoP1^1=Trig單片機(jī)5光電對(duì)管x4P1^0P1^1P1^2P1^3

2.3DSP28335程序設(shè)計(jì)

首先給各個(gè)單片機(jī)分配輸入引腳，和定義輸出引腳，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表2，然后設(shè)置各路數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí).

表2　DSP與單片機(jī)連接關(guān)系

第一優(yōu)先級(jí)，超聲波和光電對(duì)管，前方路面是否有障礙，和前方路面是否是懸崖，有障礙則轉(zhuǎn)向左，有懸崖則轉(zhuǎn)向左或者右路面，前方正常，則繼續(xù)前進(jìn).

第二優(yōu)先級(jí)，電子羅盤(pán)，偏離預(yù)設(shè)方向角度超過(guò)15°，則向反方向調(diào)整，否則繼續(xù)前行.

第三優(yōu)先級(jí)，GPS，對(duì)比預(yù)設(shè)的起始地和目的地的坐標(biāo)，讓機(jī)器的起始地址朝趨向目標(biāo)地址的方向行進(jìn).

圖12　整體實(shí)物圖

3　結(jié)論

導(dǎo)盲機(jī)器人通過(guò)GPS和電子羅盤(pán)定位，加上超聲波距離傳感器和光電對(duì)管對(duì)路障和路面的檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主避開(kāi)障礙物，避開(kāi)邊沿，向預(yù)設(shè)目的地前行.根據(jù)預(yù)設(shè)功能，設(shè)計(jì)了硬件與整體電路，并根據(jù)硬件與整體電路設(shè)計(jì)了相應(yīng)的部分程序.利用DSP28335的快速處理運(yùn)算能力，能對(duì)復(fù)雜的程序做出快速的響應(yīng)，對(duì)5個(gè)獨(dú)立的89c51單片機(jī)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前路面情況和預(yù)設(shè)目的地輸出合理的控制信號(hào)控制機(jī)器前行.

[1]尼庫(kù)(Niku, Saeed B).機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論:分析、控制及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[2]李琦.機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2012.

[3]蔡自興.機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[4]庫(kù)克 (Cook, David).機(jī)器人制作晉級(jí)攻略[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[5]王元一,石永生,趙金龍.單片機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用:C51編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.

[6]周樂(lè)挺.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2014.

[7]王斌.傳感器檢測(cè)與應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014.

[責(zé)任編輯：閆昕]

The Design and Manufacture of Seeing-Eye Robot Using Photoelectric Sensor

LIANG Lan-ju1,2，YANG Xiu-cheng2，LI Feng2

(1.College of Precision Instrument and Opt- Engineering, Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Opt-Electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

The crawler chassis as the main body, through the GPS, electronic compass positioning, on the direction of the obstacle detection by ultrasonic distance sensor and photoelectric sensor, finally by DSP was analyzed for each module, feedback data control to a preset destination chassis for the end of March, to achieve unmanned, self-help guide safe arrival at the destination.

guide; DSP; electronic compass; GPS; track

2016-09-01

中國(guó)博士后科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2015M571263)；棗莊學(xué)院博士基金；棗莊學(xué)院"光電科學(xué)與技術(shù)"創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(項(xiàng)目編號(hào)：4350308)；棗莊學(xué)院教改重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1021402)；棗莊學(xué)院2016年大學(xué)生SRT項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016003).

梁蘭菊(1979-)，女，山東菏澤人，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院在職博士后，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院副教授，博士，主要從事光電科學(xué)與技術(shù)研究.

O439

A

1004-7077(2016)05-0090-05