摘 要：設(shè)計了基于S3C2410+Linux平臺的移動機器人超聲波避障系統(tǒng)。介紹了SRF05新型高精度傳感器的工作原理、測距系統(tǒng)多路超聲波傳感器的軟硬件實現(xiàn)及機器人平臺的整個軟件工作流程。Linux系統(tǒng)超聲波驅(qū)動模塊中采用的輪循工作方式實現(xiàn)了機器人在未知環(huán)境下的避障功能，機器人平臺運行效果良好。
關(guān)鍵詞: 機器人；ARM9；超聲波；導(dǎo)航；避障
在機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低等優(yōu)點，被廣泛用作移動機器人的測距傳感器，以實現(xiàn)避障、定位和導(dǎo)航等功能。實驗室機器人以S3C2410+Linux系統(tǒng)為架構(gòu)，采用了高精度的SRF05超聲波傳感器測距，實現(xiàn)對機器人的導(dǎo)航避障。該傳感器的回波反饋與測距方式與通用的超聲波傳感器有所區(qū)別，在S3C2410系統(tǒng)中實現(xiàn)也稍有難度，由于傳感器精度可達到1cm，因此使用該傳感器彌補了通用超聲波傳感器近距離測距存在盲點的問題，節(jié)省了外圍紅外測距模塊等硬件資源。
1 SRF05傳感器工作原理
S3C2410微控制器利用10 μs的高頻脈沖觸發(fā)SRF05傳感器，觸發(fā)下傳感器會發(fā)出8個40 kHz的超頻脈沖，當(dāng)SRF05傳感器的ECHO引腳電平為高時，開啟定時器計數(shù)器計時；當(dāng)ECHO變?yōu)榈碗娖綍r，表明機器人遇到障礙物，編程實現(xiàn)定時器停止計時。高脈沖寬度與測距距離有正比關(guān)系，SRF05的測距有效范圍為1 cm～4 m，無障礙物或遇超大障礙物時，ECHO腳會變?yōu)榈碗娖剑诉^程需要時間為30 ms，設(shè)置定時器的周期比超聲傳感器探測最大距離所需的渡越時間稍長。因此，在測距時定時器周期設(shè)置應(yīng)至少大于30 ms才能有效測距。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計
2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
輪式移動機器人核心控制系統(tǒng)由觸摸屏顯示、攝像頭圖像采集、超聲波避障、直流電機閉環(huán)控制、人感應(yīng)傳感器、水(火)檢測和氣體檢測模塊、串口無線Modem模塊部分組成。其中超聲波避障模塊直接影響機器人行進位移的精度以及在有效范圍內(nèi)的圖像采集控制。整個系統(tǒng)基于ARM9架構(gòu)的S3C2410微控制器與Linux系統(tǒng)平臺，使用Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序控制各個硬件模塊[1]。
2.2 超聲波測距系統(tǒng)
為了實現(xiàn)導(dǎo)航、避障，移動機器人的前、后、左、右各安裝1路SRF05超聲波傳感器，使機器人能夠感知4個方位的障礙信息。另外，為了滿足系統(tǒng)擴展，可添加安裝多路SRF05超聲波傳感器，進一步增強機器人的導(dǎo)航避障性能。安裝超聲波傳感器之間角度應(yīng)該大于它的波束角30°，這樣傳感器同時工作時才不會有干擾。采用分組的方式，左右兩套和前后兩套分別為一組，組與組之間采用輪循的方式工作。這樣既可以得到很高的采集頻率，同時也滿足了系統(tǒng)的實時性要求。
采用相關(guān)GPIO口作為超聲波傳感器的INIT觸發(fā)引腳，并且配置定時器周期，設(shè)置定時中斷及外部中斷。測距流程：開始打開超聲波，激發(fā)傳感器INIT引腳10 ms，打開定時器并開始計時，在定時器周期內(nèi)收到傳感器ECHO低電平觸發(fā)外部中斷，在外部中斷處理程序中讀取定時器計數(shù)值，計算障礙物距離，并且傳送給中央處理器。不同組傳感器的開啟在定時中斷中完成，并且開啟另一定時器完成計數(shù)功能[2]。系統(tǒng)測距流程圖如圖1所示。
2.3 采集回波
S3C2410 GPIO觸發(fā)中斷只能設(shè)置一種觸發(fā)方式，如果設(shè)為上升沿觸發(fā)打開定時器計時，則無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時器，因此采用軟件方式實現(xiàn)。設(shè)置2個時間延遲函數(shù)usdelay( )和msdelay( )，在給出10 ms高頻脈沖后等超聲波觸發(fā)再使能定時器計時，這些在該組傳感器對應(yīng)的定時器中斷中完成。并設(shè)置外部中斷EINT1接收超聲波傳感器的ECHO回波引腳的變化。其觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，等下降沿來臨關(guān)閉定時器讀出計數(shù)值即為脈寬的時間長度時，然后根據(jù)距離公式=（ECHO 高電平的時間）×（聲納速度）/2得出距離。空氣中V與溫度關(guān)系：
T為攝氏溫度[3]。一般情況下超聲波速近似聲速，在室內(nèi)溫度影響下取約343.2 m/s。
3 軟件實現(xiàn)
3.1 延遲函數(shù)實現(xiàn)
設(shè)計軟件延遲函數(shù)usdelay( )，代碼實現(xiàn)如下：
static int delayLoopCount1=10;
void usdelay(int time)
{ int i;
for(;time>0;time--)
for(i=0;i 函數(shù)延遲時間為10μs，打開傳感器激發(fā)高頻脈沖后延遲10μs然后關(guān)脈沖，即可利用該函數(shù)。
設(shè)計msdelay( )函數(shù)用于衡量整個測距周期的時間值。msdelay(1000)延遲大約為1 s，這樣系統(tǒng)可以有足夠的回波檢測時間，同時也不會對其他多路超聲波傳感器造成信號干擾。msdelay( )代碼實現(xiàn)如下：
static int delayLoopCount2=1310;
void msdelay(int time)
{ int i;
for(;time>0;time--)
for(i=0;i 可以利用PC口相關(guān)引腳作為超聲波傳感器使能端口，程序?qū)崿F(xiàn)如下：
rGPCCON=0x555；//端口C為輸出口用于啟動超聲波，可激發(fā)多路超聲波
rGPCDAT=0x0；//數(shù)據(jù)位清0
rGPCDAT=0xf；//設(shè)置為高頻脈沖，發(fā)出8T 40kHz超頻波
usdelay(1)；//延遲10μs
rGPCDAT=0x0；//清數(shù)據(jù)位
3.2 回波檢測實現(xiàn)
利用定時器計數(shù)器功能和外部中斷可以實現(xiàn)回波檢測計算障礙物距離，外部中斷接超聲波的ECHO并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。定時器的初始化如下：
rTCFG0=0x9595; //預(yù)分頻值為95
rTCFG1=0x00000; //分割值1/2
rTCNTB0=10 000;
根據(jù)T=[TCNTB0×（TCFG0+1）×（1/TCFG1）]/50MHz得出定時器的周期為60ms,在這個時間段內(nèi)足以計算回波時間。
外部中斷1初始化如下：
rGPFCON=0xaa; //GPF1 設(shè)置為 EINT1
rINTMOD=0x0; //為普通中斷
rGPFUP=0xf; //禁止 GPF0 上拉電阻
pISR_EINT1=(unsigned)Eint1Handler; //設(shè)置外部中斷
//中斷向量
EnableIrq(BIT_EINT1); //使能中斷
rEXTINT0 =0x492; // EINT1 下降沿觸發(fā)
3.3 障礙物距離計算
void __irq Eint1Handler(void) // eint1 中斷服務(wù)子程序
{
sonar_time_front =((10000- rTCNTO0) >> 1);//定時器的計數(shù)值除以2即為障礙物距離
ClearPending(BIT_EINT1); //清除中斷標(biāo)志位
i++;
Uart_Printf('nEINT1 occured times=%dn',i);//串口打印調(diào)試顯示中斷發(fā)生次數(shù)
Uart_Printf('nsonar_time_front=%d',sonar_time_front);
//串口打印顯示計算器計數(shù)值
t1= sonar_time_front*0.204; //計算距離值
front_range=t1; // 賦值全局變量
}
3.4 輪循方式測距
由于超聲波之間有干擾，采用輪詢[4]的方式依次打開超聲波，定時中斷中啟動下一路超聲波傳感器工作，下一路對應(yīng)的定時中斷再啟動其他路，每次只測1個，這樣可以有效地避免干擾，為了提高實時性可以控制定時器周期，如設(shè)置為35 ms，這樣4路超聲波輪循1次大約為140 ms，足以滿足實時要求。
4 機器人行進過程
利用多路超聲波傳感器的反饋障礙物信息控制機器人直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。
嵌入式Linux系統(tǒng)中SRF05模塊為只讀的字符設(shè)備。在應(yīng)用層下打開該設(shè)備后，驅(qū)動程序完成測距，測得的數(shù)據(jù)傳到應(yīng)用層，應(yīng)用層根據(jù)算法判斷障礙物的位置給直流電機，控制系統(tǒng)實現(xiàn)避障導(dǎo)航[5]。
機器人的每次行為都是根據(jù)超聲波測距模塊和當(dāng)前機器人運行的即時速度給出運行時間，在遇到障礙物時（0[6]。
采用新型SRF05超聲波傳感器，在S3C2410+Linux平臺的移動機器人上實現(xiàn)了超聲波的測距，并利用超聲波傳感器控制驅(qū)動系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。各模塊驅(qū)動程序已成功加載到嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，在此平臺下機器人運行效果良好。
參考文獻
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