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本系統所設計的機器人的主要任務(wù)是在未知環(huán)境下依靠多傳感器信息，運用D-S數據融合算法，提供與環(huán)境有關(guān)的關(guān)于系統狀態(tài)的足夠的與可靠的信息，使機器人能夠自主規劃路徑、躲避障礙物，最終向目標靠近。 本控制系統采用主從式控制系統。系統選用了激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、光電編碼器等多種類(lèi)型的傳感器，它們之間相互組合，實(shí)現機器人小車(chē)的測距、避障、尋找目標等功能。 1 多傳感器數據融合技術(shù)與D-S方法 多傳感器數據融合技術(shù)結合了控制理論、信號處理、人工智能、概率和統計的發(fā)展，協(xié)同運用多傳感器的傳感數據，提取所探測環(huán)境的近可能多的有用信息，消除信息的不確定性，提高傳感器的可靠性。 多傳感器數據融合技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)：增加了測量的維數和置信度；改進(jìn)了探測性能；擴展了空間和時(shí)間的覆蓋范圍；改進(jìn)了系統的可靠性和可維護性；系統容錯性好，運行魯棒性強；系統內資源共享，可提高資源的利用率。 D-S證據理論是Dempster于1967年提出，后由Shafer加以擴充和發(fā)展而形成的一種信息融合方法。D-S證據理論可處理由不知道所引起的不確定性。 D-S方法的推理結構分為三級。 第一級是合成。它把來(lái)自幾個(gè)獨立傳感器的報告合成為一個(gè)總的輸入。 第二級是推斷，由它獲取傳感器報告并進(jìn)行推斷，將傳感器報告擴展成目標報告。 第三級是更新，因各種傳感器一般都有隨機誤差，所以在進(jìn)行推斷和傳感器合成之前要先更新傳感器級的信息。 2 傳感器的選用 本系統所設計的智能機器人具有測距、自動(dòng)避障、自動(dòng)尋找以一發(fā)光源為目標的物體的功能。每一個(gè)功能均選用幾種不同類(lèi)型的傳感器進(jìn)行測量，再應用D-S融合算法把這些數據進(jìn)行融合，最后得到我們需要的更加全面、準確、可靠的反映環(huán)境特征的信息，指導機器人的運行。 本系統具體傳感器的選用如下： 1） 測距傳感器 測距傳感器選用了三種類(lèi)型的傳感器：激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器。 2） 避障傳感器 避障傳感器選用了三種類(lèi)型的傳感器：激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器。 3） 尋找目標傳感器 尋找目標傳感器選用了兩種類(lèi)型的傳感器：紅外傳感器和光敏傳感器。 4） 光電編碼器 用光電編碼器檢測電機的轉速。 激光傳感器選用的是DLS-A激光測距傳感器。該設備擁有許多卓越的性能：測程0.2-200m，串行接口（RS232或RS422），單根RS422線(xiàn)可連接多達10個(gè)模塊，范圍寬廣的供電電壓（9-30V），可編程模擬輸出，兩個(gè)可編程數字輸出端，數字輸出錯誤信號，4個(gè)發(fā)光二極管用于顯示狀態(tài)信號，D型接口和螺旋接線(xiàn)端便于連接，望遠鏡適配器使得安裝非常簡(jiǎn)便，堅固的鋁金屬外殼，IP65（防止灰塵和水汽浸入），完整的軟件配置，二等激光。 3 硬件結構 為減輕主控器的負擔，系統采用主從式控制系統。分別用三個(gè)MCS-96單片機處理來(lái)自測距傳感器、超聲傳感器、尋找目標傳感器的數據，并進(jìn)行數據融合；最后把處理好的數據通過(guò)RS-232串口上傳至上位機PC/104 386SX系統。由PC/104主機做出下一步的處理。系統硬件結構框圖如圖1所示。 PC/104主機主要用來(lái)完成對三個(gè)下位機所處理的數據進(jìn)行采集，然后根據情況調整小車(chē)前向電機、轉向電機的運動(dòng)，并將光電編碼器測量到的小車(chē)速度等信息顯示在液晶屏幕上，如果發(fā)生碰撞現象，還可用語(yǔ)音進(jìn)行報警等操作。上位機選用PC/104主機是因為：第一，386系統處理速度比單片機要迅速；第二，為了便于以后系統的擴展。 為避免其它不可預知的故障出現，使機器不能正常運行，系統還設置了一個(gè)硬復位按鈕。 4 軟件設計 各個(gè)下位機的軟件設計流程是先檢測各類(lèi)傳感器的數據，再用D-S法進(jìn)行數據融合，最后等待主機的指令，把融合后的數據上傳至主機。 主機的軟件設計流程是通過(guò)串口循環(huán)接收來(lái)自三個(gè)不同下位機的數據（三個(gè)下位機的通訊握手地址不同）。根據尋找目標傳感器所測到的目標位置，進(jìn)行路徑規劃，調整前向電機與轉向電機的運動(dòng)方向。再根據測距傳感器所測到的目標距離，調整電機的運動(dòng)速度。當避障傳感器發(fā)現前方有障礙物或小車(chē)與障礙物發(fā)生碰撞時(shí)，要立即停止運行，重新規劃路徑。讀取光電編碼器的值，把小車(chē)速度顯示在液晶顯示器上。如果出現小車(chē)與障礙物發(fā)生碰撞或找不到目標光源物體時(shí)要通過(guò)語(yǔ)音芯片進(jìn)行報警。 主機和下位機程序內部均設有看門(mén)狗程序，避免程序跑飛。 5 總結 本系統設計了一個(gè)基于多傳感器數據融合技術(shù)的智能機器人。該設計運用了多傳感器數據融合技術(shù)，采用了主從式控制系統，使機器人能夠更準確的尋找目標與避障，有很好的魯棒性。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：（1）提出一種基于多傳感器數據融合技術(shù)的智能機器人系統設計，軟硬件工作可靠。（2）用到D-S融合算法，提供與環(huán)境有關(guān)的關(guān)于系統狀態(tài)的足夠的與可靠的信息，使機器人能夠自主規劃路徑、躲避障礙物，最終向目標靠近。（3）系統采用了主從式控制系統，有很好的擴展性。（4）良好的抗干擾能力。 |
