船电技术ｌ应用研究 基于超声波的室内移动机器人贴地障碍物检测 张海鹰王防 （海军航空工程学院控制工程系，山东烟台２６４０００） 摘 要：通常的室内移动机器人系统，往往忽视环境中存在的贴近地面、但并不阻碍机器人行驶的低矮障 碍物。为增强机器人行驶的稳定性，提出了专门用于检测贴地障碍物的超声波测距系统，并分析总结了此 类系统的设计要求与实现方法。 关键词：贴地障碍物 行驶稳定性超声波测距 中图法分类号：ＴＰ２４ 文献表示码：Ａ 文章编号：１００３．４８６２（２０１２）０１．００５１－０３ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｏｂｓｔａｃｌｅｓ Ｃｌｕｎｇ ｔｏ Ｇｒｏｕｎｄ ｆｏｒ Ｉｎｄｏｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ Ｚｈａｎｇ Ｈａｉｙｉｎｇ，Ｗａｎｇ Ｆａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｌｗａｙｓ ｉｇｎｏｒｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｃｌｕｎｇ ｔｏ ｇｒｏｕｎｄ ｗｈｉｌｅ ｄｏｎ ７ ｒｅａｌｌｙ ｈｉｎｄｅｒ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｄｒｉｖｉｎｇｆｏ，｜ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｓ，ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｈｔｅ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｃｌｉｎｇ ｔｏ ｇｒｏｕｎｄ．Ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆｓｕｃｈ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｂｓｔａｃｌｅ ｃｌｕｎｇ ｔｏ ｇｒｏｕｎｃ￣ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｄｒｉｖｉｎｇ；ｕｌ￣ａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ０ 引言 行驶路径，但却会破坏轮式移动机器人行驶的稳 定性。在某些对稳定性要求较高的场合，必须要 随着机器人技术的发展，室内移动机器人技 考虑到这类障碍物的存在。所以，令轮式室内移 术也受到了越来越多的关注。对于移动机器人来 动机器人具备贴地障碍物检测能力，是有必要的。 说，准确地识别运行环境中的障碍物以确定安全 有效的行驶路径是一项关键技术。目前，采用较 １超声检测方法 多的有基于红外测距、超声测距、激光测距的非 贴地障碍物在环境中的存在并不明显，从远 视觉检测方法，和基于图像处理技术的视觉检测 距离上进行检测较为困难，并且贴近地面的障碍 等方法。通过这些方法都可以有效地检测出环境 物通常不会真正影响到行驶路径的规划。所以可 中存在的障碍物。但就目前来看，无论使用什么 以使用专用检测装置，在近距离内进行检测。 样的方法，都只是针对环境中体积较大、明显阻 在多种测量手段中，超声波在空气中的传播 碍机器人通行的障碍物进行检测，而对于环境中 不受光环境或电磁场等外界因素的干扰，有较强 存在的贴近地面、并不真正阻碍行驶的障碍物， 的环境适应力；且超声波测距系统实现方法简单， 大多视而不见：例如房间的门槛，横在地表的电 工作稳定可靠。因此，使用高精度的超声波测距 缆，散落在地上的板材，甚至掉在地面上的书。 系统可以有效地完成对贴地障碍物的检测。 这些东西的高度通常不会超过５ ｃｍ，并不会阻塞 以超声波测距为手段检测贴地障碍物时，需 要注意以下几个方面： 收稿日期：２０１１－０５—１１ １）测距系统的指向性要强。贴地障碍物通常 作者简介：张海鹰（１９８０一），男，硕士研究生，研究方 存在于较小范围内，如果测距系统指向性不强， 向：控制工程。 单体检测范围过大，就不能准确定位障碍物的存 ５１ 船电技术１应用研究 在，不利于系统做出正确的应对。 ２）测距系统相对地面应有较小的入射角度。 使用超声波进行测距时会存在镜面反射的问题。 如果具有较强指向性的超声波以过大的入射角度 发射到被测物体上，则反射回波难以作用到系统 接收端，容易使测距失效。 ３）测距系统只需短量程但要有高分辨能力。 检测贴地障碍物只是要检测移动机器人“脚前”的 一小片区域，检测量程不会超过１ ｍ；被检测的 都是低矮物体，所以测距精度最好达到ｍｍ级， 以保证检测结果的准确可靠。 ４）测距系统应具备温度补偿能力。移动机器 人平台可能会工作在各种环境下，包括温差较大 的环境。温度是影响超声波测距结果的主要外界 因素，声波的传播速度随温度变化会有明显的改 变，要保证较高的测距精度就必须考虑温度补偿。 检测贴地障碍物的超声波测距系统是一种专 用的超声测距系统，有较强的针对性。在具体实 现时须根据其性能要求，选择适宜的方法。 ２超声测距系统的实现 测距系统应该设置在机器人主体的最前端， 距离地面较低的位置，直向下检测紧贴地面的低 矮障碍物。 ２．１使用高频超声波提高测距的指向性 超声测距系统所选用的超声波频率是影响测 距效果的一个重要因素。 测距的指向性取决于测距系统发出的超声波 的指向性，通常以超声波的波束宽度来评价。而 超声波的波束宽度直接受其频率影响。超声波波 束宽度与声波频率的关系为： ０：＝２ａｒｃｓｉｎ—０．２６ｃ —Ｒｆ 其中，Ｃ为超声波的传播速度， 为传感器半径， 厂为超声波频率［¨。 一般来说，超声波的频率越高，其波束宽度 就越窄，相应地指向性也就越强。测距系统的指 向性越强，对障碍物的分辨能力也就越强，增加 了测距的准确性。并且，超声波的频率高，波长 也就短，在测距中引起的绝对误差就会减小，系 统的测距精度就会提高。因而，对于要求精确测 距的贴地障碍物检测系统来说，使用高频率超声 波是有必要的。 使用高频率超声波进行测距，唯一的缺点就 ５２ 是会减小测距系统的量程。超声波在传播过程中， 其能量会逐渐散失在传播介质中，且介质对超声 波能量的吸收程度与其频率的平方成正比【２］。也 就是说，超声波频率越高，能量损失也就越快， 传播距离也会越短。但对于贴地检测系统来说， 因为要求的量程本身就很小，所以采用高频声波 不会受到量程问题的困扰。 ２．２令测距系统以小入射角探测地面 在使用超声波等非接触方式进行测距时，总 会存在镜面反射的问题Ｌ３ Ｊ。如果超声波的入射角 度过大，就可能会在传播过程中发生多次反射使 测距结果出现巨大误差，甚至会令回波信号无法 到达系统接收端，使测距失效。 令测距系统的超声传感器的指向略微朝前， 使发出的超声波以小入射角入射地面。这样不但 可以保证反射回波能直接作用于系统接收端，避 免因镜面反射而引起的测距失效；同时，保留了 一定的入射角度，可以让系统的探测范围少作前 移，为机器人留出更大的反应空间。 ２．３使用收发分体式超声传感器减小测距盲区 超声波测距系统有收发一体式和收发分体式 两种模式。 收发一体式系统使用同一个超声传感器完成 超声波的发射和接收。超声传感器在受到脉冲电 压激励向外发射超声波后，就应该转入接收状态， 但激励撤销后传感器上还留有一定的发射余震， 阻碍了传感器对回波信号的有效检测。所以必须 等到余震削弱之后才能够进行有效测距。这段时 间的延迟就形成了收发一体式系统的测距盲区。 收发分体式测距系统使用不同的超声传感器 发射和接收超声波，不存在余震干扰的问题，理 论上无盲区。但为避免发射端发出的超声波直接 作用于接收端，还是要使接收端延迟到发射端发 射结束后再开始接收，这也会形成一定的盲区， 但相比于收发一体式系统要小很多。对于量程较 小的贴地检测系统，减小盲区能增加检测的可靠 性。并且，因为超声回波的强度比系统发向外发 射的超声波要弱，所以使用专门的传感器来接收 超声波更能保证回波检测的灵敏度。 ２．４使用固定阈值检测确定回波时间 超声测距系统为避免环境噪声对回波信号检 测的干扰，通常会设定一定的阈值以屏蔽噪声信 号。因为回波信号会随着探测距离的增加而减弱， 所以阈值的大小不会一成不变，通常需设定系统 船电技术ｌ应用研究 阈值随时问的延长呈指数形式减小 ］。这样就使 的固定目标进行测距，通过测得的回波时间来确 系统对不同距离的回波信号都能有效地识别。 定当前环境下的声波速度。并以此速度为基准进 但对于贴地检测系统来说，由于量程本就很 行障碍物检测。这样的方法不仅实时性好，而且 短，且检测的都是低矮物体，测量距离的起伏很 是直接测得声波速度，避免了因温度测量的误差 小，所以只需要以最大量程为参考设定固定阈值 而产生的声速误差，是声速补偿的最佳方法。 即可。这也令测距系统的实现更加简单。 ２．５使用标杆法测定声波速度 ３ 总结 超声波的传播速度对测距的结果有很大影 相比于一般的超声波测距系统，专用于贴地 响。在空气中，温度是影响声波传播速度的主要 低矮障碍物检测的超声波测距系统应具有指向性 因素。声波速度与温度的关系可表示为： 强、量程短、精度高、实现简单的特点，能够准 ｃ＝３３ ．４ｌＪ Ｔ 确检测出机器人行驶路径上的“”障碍物。为 机器人的稳定行驶提供前提保障。 其中Ｃ为声波速度， 为空气的摄氏温度。温度 每增加一度，声速变化约０．６０７ ｍ／ｓ。所以，为保 参考文献： 证系统的测距精度，必须在测距中引入温度补偿 ［１］潘仲明．大量程超声波测距系统研究［Ｄ】．长沙：国 ［５１。 防科技大学，２００６． 感知空气温度的最直接办法就是使用温度传 ［２】 马大猷．声学手册［Ｍ］．北京，科学出版社，１９８３． 感器进行测量。但是由于空气中的热传递较为缓 ［３］ 王栋耀，马旭东，戴先中．基于声纳的移动机器人 慢，所以使用温度传感器直接测量其实时性较差， 沿墙导航控制［Ｊ］．机器人，２００４，７：３４６．３５０． 对于存在较大温度变化的环境，不能够及时反映 ［４】杨劲松，王敏，黄心汉．超声波可变阈值测距装置 出实际的气温。相比之下，使用标杆测量法更加 ［Ｊ］．电子技术应用，１９９８，７：７－９． 准确、简单。 ［５］ 邹轶．近距离高精度超声波测距系统的设计［Ｄ］．大 在测距系统中增加一路通道，针对已知距离 连：大连理工大学。２００９． （上接第５０页） ５结论 本文分析了水雷动作的有效区域，在磁场换 算的方法中选定三种并进行了计算。通过对计算 值和实测值的比较，磁体模拟法由于使用方便， 对测量数据要求低，换算精确度较高，最终选定 了磁体模拟法作为水雷对抗舰船实验时的磁场换 算方法。 参考文献： 图６右边界磁场分布 ［１］韩鹏，李玉才．水中兵器概论（水雷分册）【Ｍ］．西安： 从图４、５、６发现，大平面法需要初始磁场 西北工业大学出版社，２００７． 数据的宽度应该很大，否则对计算效果有很大影 ［２］ 孙玉奇．水雷［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８３． 响。跟磁体模拟法相比，大平面尽管简便易行， ［３］龚沈光，林春生，程锦房．水雷引信系统设计原理 程序编制容易。但其对原始数据要求较高，在现 【Ｍ】．武汉：海军工程大学，２００８． 有条件下，消磁站一般不能提供如此要求的数据， ［４］ 周耀忠，张国友．舰船磁场分析计算［Ｍ］．北京：国 故此方法不便应用。综上所述，在实际使用中， 防工业出版社．２００４． 磁体模拟法无疑具有较大的优势。 ［５】刘大明．舰船磁场测量［Ｍ］．武汉：海军工程大 学，１９９３． ５３
