【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，它由于具有以下的兩大優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)時(shí)機(jī)器人領(lǐng)域顯示出誘人的魅力：（1）主動(dòng)傳感器不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù)，不象立體視覺需要通過大量的計(jì)算獲取距離數(shù)據(jù)，因而實(shí)時(shí)性好，測(cè)距速度快。（2）主動(dòng)傳感器不易受到如天氣狀況、光照條件及表面標(biāo)記、陰影、污漬等外界條件的影響。主動(dòng)傳感器工作時(shí)不僅使用自然光照，它自身也對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生光照。此外，在多數(shù)主動(dòng)傳感器系統(tǒng)中，有源光的發(fā)送和接受是同軸的，這就從本質(zhì)上解決了結(jié)構(gòu)光和立體視覺方法難于解決的“消失片段”問題。 有源測(cè)距技術(shù) 在有源測(cè)距技術(shù)中，常用的主動(dòng)傳感器主要有超聲波、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)三種。（1）超聲波傳感器超聲波是一種只有少數(shù)生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺到的機(jī)械波，其頻率在20KHz以上，波長(zhǎng)短，繞射小，能定向傳播。它具有縱波（在氣、液、固中傳播）、橫波（在固體中傳播）和表面波（沿固體表面?zhèn)鞑ィ┤N波形，而且遇到雜質(zhì)或傳播界面回產(chǎn)生明顯的反射[13]。這種反射不是嚴(yán)格定向的，具有散射性。在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身反射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出和回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離，從而得到障礙無(wú)物到機(jī)器人的距離。從發(fā)射波束特性知，由于擴(kuò)散角的原因，使超聲波測(cè)距的角度分辨率較低，但距離分辨率較高。超聲波傳感器具有反應(yīng)靈敏、探測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，因而在目前已知的移動(dòng)機(jī)器人中，多數(shù)都安裝了它，用于室內(nèi)和室外近距離避障。通常，以多個(gè)傳感器組成陣列形式，根據(jù)單個(gè)傳感器擴(kuò)散角及反射特性。確定合理的密度，以覆蓋要求的探測(cè)區(qū)域?？偟膩?lái)說，超聲波傳感器的造價(jià)低廉、速度快、距離分辨率較高，但其方向性差、鏡面反射嚴(yán)重、測(cè)距范圍小，因此，比較適用于室內(nèi)環(huán)境的距離測(cè)量。（2）微波雷達(dá)微波是一種電磁波，其波長(zhǎng)為，頻率為，定向傳播及反射性能介于超聲波和激光之間。作為新型測(cè)距傳感器，其工作原理與超聲波傳感器相同。角度分辨率高于超聲波和紅外傳感器，低于激光傳感器，距離分辨率略高于超聲波傳感器。目前最大探測(cè)距離介于超聲波和激光測(cè)距之間，最小探測(cè)盲區(qū)距離略低于超聲波傳感器。微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是因目標(biāo)的顏色、材質(zhì)等不同而引起的反射率變化小，對(duì)霧的透過率高，受灰塵、霧、雨的影響小，在各種目標(biāo)和氣候條件下都能比較穩(wěn)定的進(jìn)行探測(cè)。缺點(diǎn)是利用車載的小型天線時(shí)因?yàn)椴荒苄纬杉怃J的射束，所以不能進(jìn)行高精度測(cè)角。一般很難進(jìn)行高精度測(cè)位。另外，根據(jù)目前的電波法規(guī)定，微波一般是不能使用的，但是不久的將來(lái)，經(jīng)過修改以后，這種規(guī)定會(huì)被解除的，這項(xiàng)高新技術(shù)的產(chǎn)品，已用于國(guó)外汽車倒車及高速公路車輛間距監(jiān)測(cè)等實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域，并開始安裝在新研制的移動(dòng)機(jī)器人上，是一種很有前途的移動(dòng)機(jī)器人深度信息傳感器。（3）激光雷達(dá)近年來(lái)，激光雷達(dá)因具有測(cè)量速度快、測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)距精度高、方向性好、鏡面反射小、造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。激光調(diào)制波的強(qiáng)度大，有利于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的測(cè)量及目標(biāo)與背景的區(qū)分；光速窄、平行性好、散射小，保證了很好的測(cè)距方向分辨率；一般為單一頻率的光波，光譜比較純，保證了較高的信噪比。通過二維或三維的掃描激光束或光平面，激光測(cè)距雷達(dá)能夠以相對(duì)高的頻率提供大量準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。激光測(cè)距雷達(dá)與其它距離傳感器相比，它能夠較好的同時(shí)考慮到精度要求和速度要求，特別是在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。它與傳統(tǒng)獲得深度信息的方法不同，激光測(cè)距雷達(dá)不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在無(wú)環(huán)境光中工作，而且在無(wú)環(huán)境光的情況下測(cè)量效果更好。但由于光線的傳播速度極快，通常難以通過簡(jiǎn)單的裝置估算其傳播距離，因此在簡(jiǎn)單、低成本的應(yīng)用中，并不適用。 測(cè)距傳感器的選擇性分析在本課題中，自主移動(dòng)需要在實(shí)現(xiàn)避障和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，完成局部自主式移動(dòng)，因此它必須對(duì)其工作環(huán)境的狀態(tài)有一清楚的了解。同時(shí)，由于涉及到不同的工作場(chǎng)合，成本的高低，安裝麻煩等限制，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中，排除了用外部的測(cè)量、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的可能性。因此，在這里，機(jī)器人將依靠其自身攜帶的傳感器，通過主動(dòng)探測(cè)的方式來(lái)完成對(duì)外部環(huán)境的感知。由于在實(shí)現(xiàn)避障和無(wú)碰撞路徑規(guī)劃的過程中，機(jī)器人本身與周圍環(huán)境以及障礙物之間的距離是最關(guān)鍵的因素。因此，我們對(duì)于傳感器的選擇，也集中在測(cè)量距離這一參數(shù)上。如上一節(jié)所述，超聲波測(cè)距技術(shù)是一種有源非接觸性測(cè)距技術(shù)，是利用超聲波在空氣中的定向傳播特性和固體反射特性，通過接收自身反射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離，從而得到障礙物到機(jī)器人的距離。由于超聲波傳感器具有成本低廉，采集速度快，距離分辨率高，質(zhì)量輕、體積小、易于裝卸的優(yōu)點(diǎn)，并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時(shí)不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù)，不需要通過大量的計(jì)算就可獲得數(shù)據(jù)，因而其測(cè)距速度快，實(shí)用性好。同時(shí)超聲波傳感器不易受到天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度、裂縫等外界環(huán)境條件的影響。鑒于以上種種優(yōu)點(diǎn)，使得超聲波傳感器在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，在這里我們選擇超聲波測(cè)距傳感器作為智能機(jī)器人的主要傳感部件。目前，超聲波測(cè)距傳感器在移動(dòng)式機(jī)器人導(dǎo)航中應(yīng)用十分廣泛。它的測(cè)量原理是基于測(cè)量渡越時(shí)間，即測(cè)量從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后，沿原路返回到接收換能器所需的時(shí)間。由渡越時(shí)間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器之間的距離。 超聲波測(cè)距 為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科為一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來(lái)越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 按收發(fā)方式又分兩類：一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測(cè)距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發(fā)射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R 。另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如R/S40，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測(cè)距有效范圍比較小，防塵、防水性能好，主要用于汽車倒車?yán)走_(dá)。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖21所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器在機(jī)器人上的分布如圖22所示。 圖21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 圖22 超聲波傳感器位置分布圖 超聲波測(cè)距原理超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測(cè)量反射波與發(fā)射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。其主要有三種測(cè)量方法：（1）相位檢測(cè)法相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限（2）聲波幅值檢測(cè)法聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響（3）渡越時(shí)間檢測(cè)法超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離：D = C T/ 2 （21）這就是渡越時(shí)間法測(cè)距機(jī)理。式中：D——距離；S——聲波在介質(zhì)中傳播的速度； T——聲波傳輸所用時(shí)間。聲波在空氣中傳輸速率為： （22） 式中：T——絕對(duì)溫度；—— m/s。在測(cè)距精度不是很高的情況下，一般認(rèn)為C為常數(shù)340m/s。附錄中表2列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。用于行走機(jī)器人上的超聲測(cè)距系統(tǒng)共有4對(duì)超聲波換能器，分別裝在前、后、左、右4個(gè)方向上。采用AT89C52單片機(jī)，由單片機(jī)定時(shí)向發(fā)射機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生40KHz左右的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)向前方空間發(fā)射。超聲波信號(hào)在空間中傳播遇到障礙物后，將反射回波。其反射波被接受機(jī)收到后，變成電信號(hào)脈沖，該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整流、比較后，產(chǎn)生負(fù)脈沖觸發(fā)單片機(jī)外部中斷讀出此時(shí)定時(shí)器值，即得出超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。再根據(jù)公式（21）即可求得距離。 本章小結(jié)本章先介紹了移動(dòng)機(jī)器人中常用的兩種測(cè)距技術(shù)——無(wú)源測(cè)距和有源測(cè)距，并對(duì)測(cè)距傳感器的選擇做了分析，討論了超聲波測(cè)距的優(yōu)越性。然后詳細(xì)講述了超聲波發(fā)生器原理和超聲波測(cè)距原理。 第三章 環(huán)境建模對(duì)環(huán)境的感知是自主式移動(dòng)機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。環(huán)境信息的描述是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主式導(dǎo)航的算法基礎(chǔ)。環(huán)境信息采集和建模描述的精確度應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航的可靠性為基礎(chǔ)。強(qiáng)制要求傳感器對(duì)環(huán)境信息采集和描述的精確度會(huì)影響傳感器的信息采集速率，增加算法復(fù)雜度和計(jì)算量，從而影響算法的實(shí)時(shí)性、可靠性和魯棒性。雖然現(xiàn)在對(duì)環(huán)境信息的建模方法有很多種，比較成功和有效的方法主要有勢(shì)場(chǎng)法和柵格法。這里僅介紹和使用柵格法來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模。 柵格法簡(jiǎn)介柵格法(grids) 是將移動(dòng)機(jī)器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元，多采用二維笛卡兒矩陣柵格表示工作環(huán)境，每一個(gè)矩形柵格都有一個(gè)累積值CV ，表示在此方位中存在障礙物的可信度。CV 值越高，表征存在障礙物的可能性越高。用柵格法表示格子環(huán)境模型中存在障礙物的可能性的方法起源于美國(guó)CMU大學(xué)。通過優(yōu)化算法在單元中搜索最優(yōu)路徑。由于該方法以柵格為單位記錄環(huán)境信息，環(huán)境被量化成具有一定分辨率的柵格，因此柵格的大小直接影響著環(huán)境信息存儲(chǔ)量的大小以及路徑搜索的時(shí)間，因此在實(shí)用上受到一定的限制。柵格法將基于傳感器系統(tǒng)的地圖模型識(shí)別法和測(cè)距法相結(jié)合，環(huán)境描述易于創(chuàng)建和維護(hù)，對(duì)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的感知信息可直接與環(huán)境中某個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)，機(jī)器人對(duì)所測(cè)的障礙物具體形狀不太敏感，具有直觀簡(jiǎn)潔、分辨率高等特點(diǎn)，適用于室內(nèi)等中小環(huán)境路徑規(guī)劃地圖模型的建立[14]。柵格法與其它環(huán)境建模方法相比具有以下特點(diǎn)：（1）所建立的柵格跟系統(tǒng)所采用的傳感器類