崔俊宇， 溫秀蘭， 張騰飛， 芮　平

(南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院， 江蘇 南京 211167)

0　引言

目前用于機(jī)器人避障的傳感器主要有紅外傳感器、雙目視覺傳感器、激光測距儀和超聲波傳感器等[1]。由于雙目視覺傳感器受環(huán)境影響大且測量結(jié)果需要進(jìn)行圖像處理，計(jì)算復(fù)雜，不利于實(shí)時(shí)控制；激光測距儀成本高且易受環(huán)境光的干擾；超聲波存在測量盲區(qū)的問題[2,3]。因此本文選用紅外傳感器進(jìn)行機(jī)器人避障測距。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、成本低廉，在短距離測量上已得到廣泛的應(yīng)用[4]。

1　機(jī)器人避障硬件結(jié)構(gòu)

為了提高紅外傳感器實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集的效率以及減小測量的誤差，本文采用埃夫特ER10L-C10機(jī)器人作為載體來進(jìn)行障礙物測量實(shí)驗(yàn)?；诩t外測距傳感器的機(jī)器人避障硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，將紅外測距傳感器安裝在ER10L-C10機(jī)器人末端的法蘭盤上，通過阿爾泰USB2817數(shù)據(jù)采集卡獲取電壓輸出信號。

(a)平面障礙物實(shí)驗(yàn)圖

(b)階梯狀障礙物實(shí)驗(yàn)圖圖1　實(shí)驗(yàn)整體圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)中每運(yùn)動1 cm進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集卡每40 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

2　紅外測距傳感器測量信號處理

實(shí)驗(yàn)信號的采集過程存在一定的噪聲干擾，如圖2所示。為消除噪聲對輸出電壓信號的影響，采用硬件濾波和軟件濾波兩種方法進(jìn)行去噪處理，將兩種方法得到結(jié)果進(jìn)行比較，并對其處理結(jié)果進(jìn)行擬合分析，以便得到紅外測距傳感器的輸出電壓和測量距離之間的關(guān)系。

圖2　傳感器輸出信號圖

2.1　硬件濾波

采用硬件低通濾波的目的是為了降低噪聲干擾，便于后續(xù)信號處理，所以選擇較為普遍的RC低通濾波器，如圖3所示。在測量電路中加入RC低通濾波器進(jìn)行試驗(yàn)，并采用最小二乘法擬合測量距離和輸出電壓之間的關(guān)系[5]。

圖3　硬件濾波器電路圖

2.2　軟件濾波

軟件濾波常用巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器等來實(shí)現(xiàn)。相比于切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器，巴特沃斯低通濾波器具有最大平坦幅頻響應(yīng)特性、良好的線性相位特性、結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，且其通帶扁平度和脈沖響應(yīng)度都優(yōu)于其它濾波器[6]。所以本文采用巴特沃斯濾波進(jìn)行軟件濾波，用Matlab編寫巴特沃斯濾波程序如下[7]：

Butterworth濾波器：

[B,A]=butter(Wp,Ws,Rp,Rs)

[b,a]=butter(B,A)

[b,a]=butter(B,A,'ftype')

[h,f]=freqz(b,a,n,Fs)

其中，Wp表示通帶截止頻率；Ws表示阻帶截止頻率；Rp表示通帶紋波系數(shù)；Rs表示阻帶紋波系數(shù)；B表示濾波器最小階數(shù)；A表示截止頻率。b，a分別表示階次為B+1的數(shù)字濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分子分母多項(xiàng)式系數(shù)向量；Fs為采樣頻率；n為在區(qū)間[0Fs]頻率范圍內(nèi)選取的頻率點(diǎn)數(shù)；f記錄頻率點(diǎn)數(shù)；ftype取low表示低通濾波器。

將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)上述程序?yàn)V波，再采用最小二乘法來擬合測量距離和輸出電壓之間的關(guān)系。

2.3　濾波效果對比

將硬件濾波和軟件濾波處理之后的數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合，并與理論曲線進(jìn)行對比，擬合結(jié)果如圖4所示[8]。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)采用軟件濾波和硬件濾波得到的擬合曲線與理論曲線基本一致，濾波效果相似。

圖4　測量距離和輸出電壓擬合曲線圖

其中，硬件濾波和軟件的擬合曲線和理論曲線相似，證明實(shí)驗(yàn)選用的RC低通濾波硬件方法有效。

在機(jī)器人快速運(yùn)動時(shí)，為了能夠有充足的緩沖距離來調(diào)整下一步的運(yùn)動，要求整個(gè)系統(tǒng)要有較短的反應(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)處理簡單。同時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集以及處理過程的高效、簡便、高響應(yīng)性，減小實(shí)驗(yàn)的計(jì)算量，實(shí)驗(yàn)中采用RC低通硬件濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，從而避免軟件濾波對數(shù)據(jù)處理過程可能帶來的滯后影響。

由圖4可以看出，整個(gè)擬合曲線在測量距離大于15 cm的區(qū)域波形較穩(wěn)定，實(shí)際操作中也就選用該區(qū)域測量與障礙物之間的距離。同時(shí)，在紅外測距傳感器與障礙物的距離達(dá)到85 cm之后時(shí)，其輸出電壓與距離之間的變化關(guān)系開始減緩，移動2 cm時(shí)才能有明顯的數(shù)值變化。這段距離在之后的機(jī)器人避障系統(tǒng)中可以應(yīng)用于障礙物距離的預(yù)判斷，以及在機(jī)器人運(yùn)動過程中，遇到障礙物減速的信號。

3　傳感器數(shù)學(xué)模型

紅外測距傳感器的輸出電壓和測量距離之間的關(guān)系呈非線性關(guān)系，且紅外測距傳感器的測距信息是機(jī)器人避障的重要依據(jù)，因此需要對其進(jìn)行標(biāo)定和曲線擬合。

由選用的紅外測距傳感器的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)要求可知，輸出模擬電壓與測量距離成反比非線性關(guān)系[9]。

將紅外測距傳感器應(yīng)用于機(jī)器人避障中，要求傳感器在有效測量范圍內(nèi)精度高，誤差低。由圖4可知該傳感器在15～85 cm的測量范圍內(nèi)，測量靈敏度高，因此選取該測量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，不同階次下的擬合結(jié)果如圖5所示。觀察圖5擬合曲線與實(shí)際測量值之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)隨著擬合階次的提高，擬合曲線沒有特別明顯的變化。計(jì)算1到3階次下各點(diǎn)實(shí)際值與擬合曲線間的殘差平方和，其值分別為222.02695，221.995，215.4958。由此可見，殘差平方隨著擬合階次增加略有減小，但變化不大，在實(shí)際應(yīng)用中為了提高避障速度，選用一次擬合曲線關(guān)系進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9,10]。

(a)一次擬合關(guān)系

(b)二次擬合關(guān)系

(c)三次擬合關(guān)系圖5　模型擬合圖

4　對障礙物的識別性能分析

為了將該傳感器應(yīng)用于機(jī)器人避障，對該傳感器的動態(tài)性能提出相應(yīng)的要求，即在動態(tài)環(huán)境中能否有效測量距離、速度變化對測量的影響，該傳感器能否有效識別不同高度差的階梯狀障礙物以及在不同速度下能否有效識別階梯狀障礙物等。

針對紅外測距傳感器在實(shí)際中應(yīng)用能力分析，本文選用動態(tài)環(huán)境中紅外測距傳感器對障礙物的辨別能力以及對階梯狀障礙物的識別能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

4.1　傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)采集

按照圖1(a)所示，使安裝距離傳感器的法蘭正對測量物體，控制機(jī)器人以不同速度(機(jī)器人最大運(yùn)動速度的5%、10%、15%)運(yùn)動，使得紅外測距傳感器在距障礙物10～120 cm的垂直高度間做往返運(yùn)動，連續(xù)采集信號。擬合輸出電壓信號和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間的關(guān)系可以得到圖6所示的波形圖。需指出，動態(tài)實(shí)驗(yàn)的測量距離為110 cm，當(dāng)機(jī)器人速度增加時(shí)，由于機(jī)器人控制系統(tǒng)的加減速控制，并不能有效增加傳感器的運(yùn)動速度，所以實(shí)驗(yàn)的速度控制在機(jī)器人最大運(yùn)動速度(約6.23 m/s)的15%之內(nèi)。

圖6(a)表示紅外測距傳感器分別以最大運(yùn)動速度5%、10%、15%的速度從120 cm的高度運(yùn)動到10 cm時(shí)的波形圖；圖6(b)表示紅外測距傳感器分別以最大運(yùn)動速度5%、10%、15%的速度從10 cm的高度運(yùn)動到120 cm時(shí)的波形圖。

從波形圖可以得到：

(1)在動態(tài)環(huán)境中傳感器對平面障礙物具有良好的識別能力，有效測量范圍內(nèi)的輸出電壓可以用于障礙物距離的判斷；

(2)傳感器運(yùn)動速度達(dá)到機(jī)器人最大運(yùn)動速度的15%時(shí)，同樣可以有效擬合出波形，則表明在運(yùn)動速度較高的動態(tài)環(huán)境中，紅外測距傳感器可以有效測量距離平面障礙物的值。

4.2　階梯狀障礙物識別

按圖1(b)所示，調(diào)節(jié)紅外傳感器垂直于階梯狀障礙物，控制機(jī)器人法蘭在階梯狀障礙物上方某一固定高度做水平直線運(yùn)動，進(jìn)行階梯狀障礙物的識別，結(jié)果如圖7所示。圖中(a)、(b)表示紅外測距傳感器對高度差8.3 cm的階梯狀障礙物識別曲線圖； (c)、(d) 表示紅外測距傳感器對高度差12.6 cm的階梯狀障礙物識別曲線圖； (e)、(f)表示紅外測距傳感器對高度差16.5 cm的階梯狀障礙物識別曲線圖。(標(biāo)示中的負(fù)號表示目標(biāo)位置低于初始位置；正號表示目標(biāo)位置高于初始位置)

通過圖7中多組數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)：

(a)不同速度從高處往低處運(yùn)動信號圖

(b)不同速度從低處往高處運(yùn)動信號圖圖6　傳感器動態(tài)監(jiān)測圖

(a)-8.3 cm高度差階梯狀障礙物識別圖

(b)+8.3 cm高度差階梯狀障礙物識別圖

(c)-12.6 cm高度差階梯狀障礙物識別圖

(d)+12.6 cm高度差階梯狀障礙物識別圖

(e)-16.5 cm高度差階梯狀障礙物識別圖

(f)+16.5 cm高度差階梯狀障礙物識別圖

(1)紅外測距傳感器可以識別出階梯狀的障礙物，其輸出信號呈階梯狀，且階梯處的信號連接是一斜線，不是豎直的直線；

(2)隨著階梯狀障礙物階梯高度差的增加，階梯處信號的傾斜角也有所增大；

(3)在階梯狀障礙物礙物識別過程中，傳感器從低處往高處運(yùn)動時(shí)，傾斜角度比從高處往低處運(yùn)動的角度略大。傾斜角存在的原因是當(dāng)紅外測距傳感器距離障礙物越遠(yuǎn)時(shí)，光束在障礙物表面所形成的光斑也就越大，則會造成發(fā)射信號接收的不穩(wěn)定從而導(dǎo)致信號擬合時(shí)存在上述角度問題。

此外，本文還開展了速度變化對階梯狀障礙物識別能力的實(shí)驗(yàn)研究，通過對輸出電壓與障礙物測量距離進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)速度增加后，紅外測距傳感器對階梯狀障礙物的識別能力有所下降。

5　結(jié)語

本文在搭建基于紅外測距傳感器的機(jī)器人避障硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過RC低通硬件濾波、巴特沃斯軟件濾波對傳感器測量信號進(jìn)行處理，可以有效減小信號噪聲，采用最小二乘法擬合紅外測距傳感器的輸出電壓與測量距離之間的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)利用紅外測距傳感器在動態(tài)環(huán)境中可以有效辨別出平面障礙物的距離以及紅外測距傳感器運(yùn)動速度不太高時(shí)，能有效識別出階梯狀障礙物。但當(dāng)傳感器運(yùn)動速度高于機(jī)器人最大運(yùn)動速度的5%時(shí)，對于階梯狀障礙物識別能力有所下降，在后續(xù)工作中將針對該問題進(jìn)行深入相關(guān)研究。

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