《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM9的嵌入式仿人機(jī)器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
蔣海林,賈 哲,張國(guó)良,張維平 第二炮兵工程學(xué)院
摘要: 本文首先對(duì)DF-1機(jī)器人總系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,然后根據(jù)DF-1機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能,設(shè)計(jì)DF-1機(jī)器人的傳感器系統(tǒng),然后實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路,利用ARM9實(shí)現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集,最后對(duì)傳感器系統(tǒng)的效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
Abstract:
Key words :

 

       傳感器技術(shù)是仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。仿人機(jī)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?yàn)樗軌蛲ㄟ^(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(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前在仿人機(jī)器人中應(yīng)用的傳感器種類繁多,例如視覺(jué)傳感器、電子羅盤、加速度計(jì)和超聲波傳感器等都是仿人機(jī)器人中常用的傳感器。
    DF-1機(jī)器人是我院自主研制的一款仿人機(jī)器人。本文首先對(duì)DF-1機(jī)器人總系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,然后根據(jù)DF-1機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能,設(shè)計(jì)DF-1機(jī)器人的傳感器系統(tǒng),然后實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路,利用ARM9實(shí)現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集,最后對(duì)傳感器系統(tǒng)的效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 DF-1仿人機(jī)器人簡(jiǎn)介

DF-1機(jī)器人模仿人體外形結(jié)構(gòu),利用舵機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人類關(guān)節(jié)的功能,如圖1所示。DF-1身長(zhǎng)45 cm,共設(shè)有17個(gè)自由度,具體分配為:踝關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度,膝關(guān)節(jié)2×1=2個(gè)自由度,胯關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度,肩關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度,肘關(guān)節(jié)2×1=2個(gè)自由度,頭部1個(gè)自由度。DF-1機(jī)器人內(nèi)部采用ARM9微處理器,主要用來(lái)完成信息的融合、決策和規(guī)劃等任務(wù)。DF-1機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)是建立在:DF-1機(jī)器人具有良好機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的,通過(guò)人工調(diào)試,設(shè)定具體程序完成的。為提高機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)DF-1機(jī)器人的智能控制,需要對(duì)機(jī)器人配置傳感器系統(tǒng),使機(jī)器人能夠感知自身狀態(tài)和外界環(huán)境。

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    DF-1機(jī)器人的胸腔部位安裝了三個(gè)超聲傳感器,分別用來(lái)測(cè)量機(jī)器人正前、左前和右前方向的障礙物。在該傳感器系統(tǒng)中,采用了ARM9微處理器作為信息的采集、數(shù)據(jù)預(yù)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(duì)應(yīng)的位置安裝了三個(gè)紅外測(cè)距傳感器用來(lái)解決這一問(wèn)題。傳感器系統(tǒng)獲取的信息采用定長(zhǎng)字節(jié)格式通過(guò)RS 232接口傳送給上位機(jī)。傳感器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 加速度計(jì)傳感器
    判定機(jī)器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器,由于陀螺成本較高,而DF-1機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)變化上較為緩慢,故本文采用了成本較低的加速度計(jì)來(lái)感知機(jī)器人的姿態(tài)。加速度計(jì)是物體運(yùn)動(dòng)測(cè)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(tǒng)所采用加速度計(jì)的具體型號(hào)為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計(jì)ADXL202。ADXL202具有兩種輸出,一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號(hào);另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調(diào)制后的DCM信號(hào)。在具體使用中,選用了加速度計(jì)的DCM信號(hào)輸出,這樣就可省去使用模擬信號(hào)需要引入的A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)難度。
2.2 超聲傳感器
    用來(lái)測(cè)距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測(cè)距儀等,為了能在測(cè)量距離的同時(shí)判斷出物體的大致形狀,應(yīng)設(shè)計(jì)成多傳感器測(cè)距系統(tǒng)??紤]到機(jī)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(cè)量。
    超聲波傳感器主要用來(lái)完成機(jī)器人到周圍障礙距離信息的測(cè)量,超聲波在測(cè)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(cè)量到的距離信息不再真實(shí),情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)“丟失”目標(biāo)。本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05。SFR05的體積小,信號(hào)穩(wěn)定,便于在機(jī)器人中安裝,而且SFR05的測(cè)量距離為1 cm~4 m,在最小測(cè)量距離上可認(rèn)為該傳感器不存在盲區(qū)。
2.3 紅外傳感器
    為了彌補(bǔ)超聲傳感器在測(cè)距中多次反射的問(wèn)題,在超聲波相對(duì)應(yīng)的位置安裝了三個(gè)紅外測(cè)距傳感器。當(dāng)超聲波傳感器測(cè)量的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同方向上紅外傳感器測(cè)量的距離時(shí),可以據(jù)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(cè)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(cè)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(cè)量距離時(shí)受外界光強(qiáng)度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小。

 

3 軟件實(shí)現(xiàn)
    傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(xiàn)對(duì)加速度計(jì)的控制和加速度的測(cè)量,并根據(jù)加速度值,計(jì)算機(jī)器人的傾角;實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳感器的控制,完成距離信息的計(jì)算;實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外傳感器的控制,完成距離信息的獲?。粚?duì)獲得的傾角、超聲波測(cè)距和紅外測(cè)距數(shù)據(jù),按照規(guī)定的通信協(xié)議發(fā)送給上位機(jī),程序主流程如圖3所示。

    程序首先要初始化,主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇、管腳的分配、中斷優(yōu)先級(jí)、定時(shí)器時(shí)鐘和工作方式的選定等。在ARM9內(nèi)部資源中,具有PCA定時(shí)器單元和A/D單元,這些方便了對(duì)本傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。防止超聲波傳感器之間發(fā)生串?dāng)_,對(duì)超聲波傳感器采用輪流測(cè)量的方式。由于超聲波傳感器的工作周期為50 ms,當(dāng)工作時(shí)間少于50 ms時(shí),超聲波傳感器會(huì)誤認(rèn)為下次測(cè)量發(fā)送超聲波產(chǎn)生的干擾為本次的回波,造成距離測(cè)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(duì)3對(duì)超聲波傳感器和紅外傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于加速度傳感器和紅外、超聲傳感器之間是獨(dú)立的,而且數(shù)量只有一個(gè),它的采集過(guò)程只依賴于PCA捕捉模塊捕捉到的時(shí)刻,所以加速度計(jì)信息的采集和預(yù)處理工作可貫穿于150 ms以內(nèi)。在完成對(duì)傳感器系統(tǒng)的信息采集和預(yù)處理后,還要將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),為上位機(jī)的決策提供必要的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 加表實(shí)驗(yàn)

    由于當(dāng)機(jī)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(jì)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(jì)達(dá)到絕對(duì)水平。在α=0附近,sin α變化幅度大,這樣會(huì)影響標(biāo)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(jì)標(biāo)定效果,采用了豎直標(biāo)定的方法,即將PCB電路板用細(xì)線懸掛起來(lái),分別得到g和-g時(shí)的值,通過(guò)計(jì)算就可得到加速度在0g時(shí)的值。由于ADXL202的輸出含有高斯白噪聲,應(yīng)用直接采來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)有較大的誤差,因而需要對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再加以應(yīng)用。
    通過(guò)平均值濾波可降低噪聲的影響,假設(shè)Xi為直接采集來(lái)的數(shù)據(jù),Yi為平均值濾波后的數(shù)據(jù),Yi=(∑xi)/n,由概率論知識(shí)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(shù)n有關(guān),n越大,濾波效果越好??紤]到機(jī)器人的運(yùn)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(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取的傾斜角度值。其中L1表示了機(jī)器人的俯仰角度,L2表示了機(jī)器人的橫滾角度。

 

    由于DF-1仿人機(jī)器人體型較小,運(yùn)動(dòng)較為緩慢,在障礙距離測(cè)量上,能夠?qū)Ω? m以內(nèi)的障礙就可滿足應(yīng)用要求。在2 m以內(nèi)不同距離上放置平面障礙,利用超聲波和紅外傳感器測(cè)量這些距離信息,測(cè)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(cè)量距離的誤差在2%以內(nèi),紅外傳感器測(cè)量距離的誤差在4%以內(nèi),可以滿足DF-1仿人機(jī)器人的應(yīng)用要求。


5 結(jié)語(yǔ)

    本文針對(duì)DF-1機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能,基于ARM9微處理器設(shè)計(jì)了傳感器系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明,本傳感器系統(tǒng)基本可以滿足機(jī)器人的功能需求,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。具備傳感器系統(tǒng)的DF-1機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境和自身狀態(tài)有了一定的感知能力,為上位機(jī)進(jìn)行動(dòng)作決策提供可靠的依據(jù),提高了機(jī)器人的智能性。

 

來(lái)源:現(xiàn)代電子技術(shù)

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