红外导航系统的设计

红外导航室内移动机器人的系统设计韩红玲1,崔志恒2(1.华北水利水电学院信息工程学院,河南 郑州450011；2.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南 焦作454000）摘 要：移动机器人检测到电源电压较低时，给定位目标——充电装置发送无线电，充电装置收到无线电就发射红外线，对机器人进行导航。

机器人不断采集红外信号，并用软件模拟脉宽调制的方法对驱动机器人双轮的电机进行实时控制，从而实现机器人对红外的跟踪。

机器人检测到红外线信号较弱或者没有检测到红外线时，利用超声波、红外、红外光电等多种传感技术和经验丰富的专家系统进行避障、路径规划，无需图像处理，无需精确的环境模型，实现机器人以尽可能短的路径离开局部环境，快速跟踪红外线，最后准确定位于充电装置进行充电。

关键词：移动机器人；超声波；软件脉宽调制；路径规划中图法分类：TP242.6 文献标识码：BSystem Design of an Indoor Mobile Robot Navigated byInfraredHAN Hong-ling1, CUI Zhi-heng2(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011,China;2. Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)Abstract：The mobile robot sends radio to a destination of power supply device when it detects that the voltage of power is insufficient. The device sends infrared to guide the robot in moving towards it as soon as it receives the radio. The robot successively collects the signals of the infrared, and the two motors that drive the bicycle of the robot are real-time controlled，which is realized by the software that simulates pulse width modulation。

In doing this, the function of the robot to track infrared is achieved. Without image processing and precise environment model, the robot avoids collision and plans routes with many kinds of sensing technologies including ultrasonic, infrared, photoelectric, and with an embedded experienced expert system when it detects no or weak signals of the infrared, and then, it quickly leaves the local place and trails the infrared in the shortest distance, and is accurately located in the power supply device lastly.Key words：mobile robot；ultrasonic；software pulse width modulation；path planning本文主要采用超声波传感器来感知机器人所在的环境信息，利用红外线进行导航，实现机器人比较准确的红外跟踪和室内定位[1]。

在利用超声波对环境进行探测时，由于超声波的角度误差，对于任意狭长通道、稠密不规则障碍物等环境，虽然现有加权平均值法、等距区域法、以及最近障碍物法、栅格图法等数据融合和环境描述法[2]，但超声波对环境特征信息的感知能力依然较差。

由于移动机器人无法记忆全部先验信息，目前路径规划问题仍无完整的物理规律和物理模型。

本文融入多种传感技术，提高机器人对局部环境的感知能力，并加入嵌入式专家系统，通过不断反复实验，不断更新专家系统的知识库，让机器人从经验中不断学习，尽可能使机器人到达目的地——充电装置的路径最短。

1 硬件系统设计1.1系统组成本系统采用Atmel的AT89S52和义隆公司的EM78P156构成双MCU（Micro Controller Unit,单片机）结构（图1），AT89S52为机器人的主处理芯片，EM78P156辅助工作。

图1中，EM78P156检测到电压较低时，不断发送带Rolling Code(滚动码)的无线电给充电装置，充电装置收到无线电并解码，发射出红外线，机器人利用红外线进行导航。

检测到红外信号较弱或者没有检测到红外线时，利用左、前两路超声测距、安全碰撞开关（左、前、右共三个）、红外光电传感器避碰。

图1 机器人系统结构图1.2 超声波测距硬件设计机器人在移动过程中的避碰问题，根据左路和前路超声波测到的到障碍物的距离进行避碰。

测距用脉冲回波法，第一次收到物体反射回来的超声波与发送超声波之间的时间t乘以声音的速度v就是超声波传感器到被测物体之间距离s的2倍。

声速v=(331.5+0.607T/℃)m/s，其中T为空气温度。

超声波的发送和接收电路相当成熟，笔者采用传统的变压器耦合方式实现40k超声波的发送。

由AT89S52的P3.4端口产生40k的脉冲信号，经推挽式差分放大，变压器耦合传送频率信号给超声波传感器UCM40T发送。

UCM40T发送时由AT89S52的P3.6端口和一个三极管控制，三极管截止时，超声波发射头振动发射超声波，发送5～8个脉冲后，P3.6输出高电平，三极管一直导通，发射头立即停止振动，从而实现消除超声波的余振。

接收用UCM40R收到超声波后，用音频解码芯片LM567锁相选频，检测40khz超声波。

1.3 红外采集设计红外采集部分采用左、右两路成90°夹角红外接收头RPM-638接收，用与微控制器串口兼容的10位串行A/D转换芯片TLV1570进行模数转换，TLV1570为吞吐率1.25Mbps的高速A/D转换芯片。

左、右两路红外接收传感器，分别与机器人两轮的连线成45°夹角，保证机器人在跟踪红外时，左、右红外传感器能感知到机器人“脸部”的左、右两侧红外强弱的不同，A/D转换后，对机器人左、右两轮进行软件PWM（Pulse Width Modulation,脉宽调制）控制，实时控制左右两轮的转速，动态控制机器人的运动方向和速度，实现红外跟踪。

1.4红外光电反射式传感器的应用由于超声波传感器发散角较大，有一定的角度误差，并受物体颜色、空气温度等影响，对于房间结构较复杂、门口附近有障碍物等的环境，机器人在检测到电压较低，需快速向充电装置运动时，最难的就是对“门”、“窄通道”的识别。

这时可以红外光电反射式传感器探测。

本系统采用调制型红外光电反射，由CD4011多谐振荡器和红外发射管（波长930nm）发射出一定频率的红外光，光敏二极管接收红外后，经锁相环音频译码器LM567选频，送往具有回差滞后特性施密特比较器，检测到白色的条带时输出高电平，其它颜色时输出低电平。

这种调制型的传感器在白色条带边缘，输出状态不会发生抖动，而是快速实现状态转换。

左、右两个传感器安装于平行机器人两轮连线的底盘，间距为白条带宽度的2倍。

当机器人从和墙壁夹角<45°方向经过门口时，两个传感器可以同时输出高电平，这时转动一定的角度，就可以轻松进入另一个房间。

若和墙壁夹角≥45°方向经过门口，两个传感器不可能同时输出高电平，这时不需要转动角度，就可以进入“门口”。

2软件设计2.1 系统设计欠压（电压低于某电压值）前后设定三种状态：漫游、跟踪和中间，系统软件流程图如图2。

检测到电压不低于一定的电压值时是漫游状态，检测到低电压和外面有红外时是跟踪状态，检测到低电压，但红外较弱或没检测到，处于中间状态，根据路径规划策略，寻找红外较强的方向，快速进入跟踪状态，跟踪过程中不断检测是否已经定位，若定位就停止电机，让机器人停下来充电，充电过程中不断检测是否充电满，若机器人的电压达到某值，就后退离开充电装置，进入漫游状态，在漫游状态可以设计其它的功能。

图2 系统流程图2.2软件模拟PWM2.2.1 PWM原理机器人驱动两个轮子的电机采用桥式功放驱动，为了节约端口，用软件来实现驱动两个轮子的电机的单极性PWM控制。

PWM调速的工作原理是电枢两端的电流呈脉动连续，随着正脉冲宽度越来越窄，电枢的平均电流越来越小，电机转速也就慢下来，反之，电机转速变快。

PWM脉冲频率F T =1/T, T为脉冲周期，F T 选择不恰当，会影响电枢电流的连续性，电机运行时可能产生剧烈振荡,因此应该谨慎选择切换频率。

本系统T取20ms。

2.2.2 PWM软件实现对左右两路红外传感器接收的信号进行采集，A/D转换后，根据红外信号的强弱，对左右两轮输出的正负脉冲宽度就不一样，信号弱的一侧，正脉冲要宽一些，对应电机电枢电流就大，转速就相对另一侧快些，从而实现机器人一直向红外信号强的一侧方向运动，即可实现动态红外跟踪。

设T为PWM脉冲周期，每隔T时间采集左右红外一次，根据第n次采集到左右两侧的红外信号，计算分配给对应侧电机的正负脉冲宽度，这时，T由t1(n)、t2(n)、t3(n)三部分组成。

t1(n)：左右两轮上的正脉冲宽度。

t2(n)：红外较弱侧电机比另侧电机多加的正脉冲宽度。

t3(n)：红外较弱侧电机的负脉冲宽度。

t2(n)+t3(n)：红外较强侧电机的负脉冲宽度。

本系统在主程序对左、右“眼睛”红外信号各采集一次，实现对左右轮PWM控制的同步，然后不断给timer0的16位暂存器装t1(n)，t2(n)，t3(n)，从而实现机器人驱动轮的电机进行软件PWM控制。

3 专家系统在路径规划中的应用在中间和漫游状态时，系统需要路径规划[3][4]人快速向充电装置发射出的红外源移动。

文中基于知识库的决策器是整个机器人软件系统设计中的一个主要部分，即“嵌入式”专家系统。

本系统采用产生式规则表示和运用专家知识，根据机器人移动过程中的所处环境的动态变化，结合数据库里的前进时间、后退时间、转角、转向、转速和中间状态时采集红外的放大倍数等参数，进行正向推理。