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傳感器技術(shù)是仿人機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。仿人機器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中完成一定的作業(yè)功能，是因為它能夠通過(guò)傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，獲得反饋信息，實(shí)現系統的閉環(huán)控制。目前在仿人機器人中應用的傳感器種類(lèi)繁多，例如視覺(jué)傳感器、電子羅盤(pán)、加速度計和超聲波傳感器等都是仿人機器人中常用的傳感器。 DF-1機器人是我院自主研制的一款仿人機器人。本文首先對DF-1機器人總系統進(jìn)行了介紹，然后根據DF-1機器人需要實(shí)現的功能，設計DF-1機器人的傳感器系統，然后實(shí)現傳感器系統的具體工作電路，利用ARM9實(shí)現了傳感器系統信息的采集，最后對傳感器系統的效果進(jìn)行了試驗驗證。 1 DF-1仿人機器人簡(jiǎn)介 DF-1機器人模仿人體外形結構，利用舵機結構實(shí)現人類(lèi)關(guān)節的功能，如圖1所示。DF-1身長(cháng)45 cm，共設有17個(gè)自由度，具體分配為：踝關(guān)節2×2=4個(gè)自由度，膝關(guān)節2×1=2個(gè)自由度，胯關(guān)節2×2=4個(gè)自由度，肩關(guān)節2×2=4個(gè)自由度，肘關(guān)節2×1=2個(gè)自由度，頭部1個(gè)自由度。DF-1機器人內部采用ARM9微處理器，主要用來(lái)完成信息的融合、決策和規劃等任務(wù)。DF-1機器人已經(jīng)能夠實(shí)現的功能有步行、做俯臥撐、上樓梯、打太極拳，這些功能的實(shí)現是建立在：DF-1機器人具有良好機械結構基礎上的，通過(guò)人工調試，設定具體程序完成的。為提高機器人動(dòng)作的穩定性，實(shí)現DF-1機器人的智能控制，需要對機器人配置傳感器系統，使機器人能夠感知自身狀態(tài)和外界環(huán)境。 2 傳感器系統設計 DF-1機器人的胸腔部位安裝了三個(gè)超聲傳感器，分別用來(lái)測量機器人正前、左前和右前方向的障礙物。在該傳感器系統中，采用了ARM9微處理器作為信息的采集、數據預處理和通信單元。由于超聲波傳感器存在多次反射問(wèn)題，在超聲波相對應的位置安裝了三個(gè)紅外測距傳感器用來(lái)解決這一問(wèn)題。傳感器系統獲取的信息采用定長(cháng)字節格式通過(guò)RS 232接口傳送給上位機。傳感器系統的基本結構如圖1所示。 2．1 加速度計傳感器 判定機器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計等傳感器，由于陀螺成本較高，而DF-1機器人在運動(dòng)變化上較為緩慢，故本文采用了成本較低的加速度計來(lái)感知機器人的姿態(tài)。加速度計是物體運動(dòng)測試中的重要元件，它的輸出與物體的加速度成比例。傳感器系統所采用加速度計的具體型號為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計ADXL202。ADXL202具有兩種輸出，一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號；另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調制后的DCM信號。在具體使用中，選用了加速度計的DCM信號輸出，這樣就可省去使用模擬信號需要引入的A／D轉換環(huán)節，簡(jiǎn)化了電路設計難度。 2．2 超聲傳感器 用來(lái)測距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測距儀等，為了能在測量距離的同時(shí)判斷出物體的大致形狀，應設計成多傳感器測距系統�？紤]到機器人的安裝空間以及成本問(wèn)題，主要選用了超聲波傳感器進(jìn)行距離的測量。 超聲波傳感器主要用來(lái)完成機器人到周?chē)系K距離信息的測量，超聲波在測距過(guò)程中存在多次反射問(wèn)題，即超聲波遇到障礙物體時(shí)，沒(méi)有沿著(zhù)原路返回發(fā)射接收點(diǎn)，而是經(jīng)過(guò)多次反射后才返回發(fā)射接收點(diǎn)，這樣測量到的距離信息不再真實(shí)，情況嚴重時(shí)會(huì )“丟失”目標。本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05。SFR05的體積小，信號穩定，便于在機器人中安裝，而且SFR05的測量距離為1 cm～4 m，在最小測量距離上可認為該傳感器不存在盲區。 2．3 紅外傳感器 為了彌補超聲傳感器在測距中多次反射的問(wèn)題，在超聲波相對應的位置安裝了三個(gè)紅外測距傳感器。當超聲波傳感器測量的距離遠遠大于同方向上紅外傳感器測量的距離時(shí)，可以據此推斷出超聲波已經(jīng)進(jìn)行了多次反射，并用紅外傳感器測量的距離信息來(lái)取代超聲波傳感器的信息。本文使用的紅外傳感器為SHARP公司生產(chǎn)的GP2D12，可測距離為10～80 cm。GP2D12加上電源就可工作，輸出電壓為0．3～2.8 V。GP2D12傳感器在測量距離時(shí)受外界光強度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小。 3 軟件實(shí)現 傳感器系統數據采集與處理單元采用ARM9微處理器，主要完成以下功能：實(shí)現對加速度計的控制和加速度的測量，并根據加速度值，計算機器人的傾角；實(shí)現對超聲波傳感器的控制，完成距離信息的計算；實(shí)現對紅外傳感器的控制，完成距離信息的獲��；對獲得的傾角、超聲波測距和紅外測距數據，按照規定的通信協(xié)議發(fā)送給上位機，程序主流程如圖3所示。 程序首先要初始化，主要包括系統時(shí)鐘的選擇、管腳的分配、中斷優(yōu)先級、定時(shí)器時(shí)鐘和工作方式的選定等。在A(yíng)RM9內部資源中，具有PCA定時(shí)器單元和A／D單元，這些方便了對本傳感器系統的數據采集。防止超聲波傳感器之間發(fā)生串擾，對超聲波傳感器采用輪流測量的方式。由于超聲波傳感器的工作周期為50 ms，當工作時(shí)間少于50 ms時(shí)，超聲波傳感器會(huì )誤認為下次測量發(fā)送超聲波產(chǎn)生的干擾為本次的回波，造成距離測量上的失真，而紅外傳感器建立電壓的時(shí)間只需要5 ms，所以在編程上，利用定時(shí)器0產(chǎn)生50 ms延遲，依次對3對超聲波傳感器和紅外傳感器進(jìn)行數據采集。由于加速度傳感器和紅外、超聲傳感器之間是獨立的，而且數量只有一個(gè)，它的采集過(guò)程只依賴(lài)于PCA捕捉模塊捕捉到的時(shí)刻，所以加速度計信息的采集和預處理工作可貫穿于150 ms以?xún)�。在完成對傳感器系統的信息采集和預處理后，還要將獲取的數據發(fā)送給上位機，為上位機的決策提供必要的數據。 4 實(shí)驗驗證 4．1 加表實(shí)驗 由于當機器人傾斜的時(shí)候，重力加速度會(huì )在加速度兩軸上產(chǎn)生分量，這時(shí)加速度值為Ax=gsin α和Ay=gsinβ。在加速度計水平放置的時(shí)候，Ax=gsin α，由于條件的限制，很難使加速度計達到絕對水平。在α=0附近，sin α變化幅度大，這樣會(huì )影響標定效果，而在a=π／2附近，sin α變化幅度較小。為了得到較好的加速度計標定效果，采用了豎直標定的方法，即將PCB電路板用細線(xiàn)懸掛起來(lái)，分別得到g和-g時(shí)的值，通過(guò)計算就可得到加速度在0g時(shí)的值。由于A(yíng)DXL202的輸出含有高斯白噪聲，應用直接采來(lái)的數據會(huì )有較大的誤差，因而需要對采集來(lái)的數據進(jìn)行處理后再加以應用。 通過(guò)平均值濾波可降低噪聲的影響，假設Xi為直接采集來(lái)的數據，Yi為平均值濾波后的數據，Yi=(∑xi)／n，由概率論知識可知，EYi=EXi，DYi=DXi／n。從中可看出平均值濾波的效果與平均點(diǎn)數n有關(guān)，n越大，濾波效果越好�？紤]到機器人的運動(dòng)情況，可取n=15，即噪聲的方差變?yōu)樵瓉?lái)的1／15。圖4是DF-1機器人在運動(dòng)過(guò)程中獲取的傾斜角度值。其中L1表示了機器人的俯仰角度，L2表示了機器人的橫滾角度。 由于DF-1仿人機器人體型較小，運動(dòng)較為緩慢，在障礙距離測量上，能夠對付2 m以?xún)鹊恼系K就可滿(mǎn)足應用要求。在2 m以?xún)炔煌嚯x上放置平面障礙，利用超聲波和紅外傳感器測量這些距離信息，測得的距離與實(shí)際距離如表1所示。 從表中可以看出，超聲波測量距離的誤差在2％以?xún)�，紅外傳感器測量距離的誤差在4％以?xún)�，可以滿(mǎn)足DF-1仿人機器人的應用要求。 5 結語(yǔ) 本文針對DF-1機器人要實(shí)現的功能，基于A(yíng)RM9微處理器設計了傳感器系統。試驗結果證明，本傳感器系統基本可以滿(mǎn)足機器人的功能需求，具有一定的應用價(jià)值。具備傳感器系統的DF-1機器人對外界環(huán)境和自身狀態(tài)有了一定的感知能力，為上位機進(jìn)行動(dòng)作決策提供可靠的依據，提高了機器人的智能性。 |
