竞赛机器人中的巡线技术及其实现
2005年10月第28卷第10期
重庆大学学报(自然科学版)
Jour nal of Chongqi n g U niversity(Nõt u r õl Sc ience Ed ition)
Oc. t 2005 V o. l 28 No . 10
文章编号:1000-582X (2005) 10-0075-04
竞赛机器人中的巡线技术及其实现
张 华, 李祖枢, 吴 健, 胡天链, 陈胡明
1, 2
1
3
3
3
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(1. 重庆大学智能自动化研究所, 重庆 400030; 2. 西南科技大学工程工程技术中心, 四川绵阳 621010;
3. 西南科技大学信息学院, 四川绵阳 621010)
摘 要:让智能机器人在多变的光线与温度环境中沿预定线路行走, 在工业生产和学术研究中均有重要意义, 笔者阐述了实现该功能的可靠方法. 通过讨论关键传感器件的选用、检测原理的合理应用、抗环境光干扰的实现、自适应调整算法及其实现等内容, 分析了竞赛机器人的巡线技术. 以这些技术思想为主体的竞赛机器人在国内外竞赛中均取得优异成绩, 表明所述硬软件方法简洁可靠, 对智能机器人的应用研究有一定的参考意义.
关键词:智能机器人; 巡线; 可靠性; 反射式红外传感器 中图分类号:TP242. 6文献标识码:A 为了使人工智能与机器人技术能在更广泛、更深入的层面展开研究, 并使其研究成果尽快转化为生产力, 在机器人足球成为人工智能与机器人学的标准问题并被广泛开展的同时, 近年来, 国内外开展了多种形式、多个层面的机器人比赛. 把这些竞赛机器人中涉及到的一些共同问题进行深入研究, 无疑对学术研究和
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生产应用都有很强的实际意义.
在亚广联亚太地区机器人大赛中, 首届日本东京规则) ) ) /攀登富士山顶0、第二届泰国曼谷规则) ) ) /藤球太空征服者0、第三届韩国汉城规则) ) ) /鹊桥相会0、以及2005年的北京规则) ) ) /攀长城、点圣火0中都有在绿色地面寻白色引导线行走的问题. 这也是移动机器人的标准问题之一, 是解决移动机器人在自由环境自主行动的基础. 经过细致的理论设计和反复的实验验证得到了简洁可靠的竞赛机器人巡线方案, 这也是西南科技大学参赛队在第二、三届国内比赛中蝉联/最佳技术奖0, 并在第三届国内大赛中夺得冠军, 在亚太地区获得亚军及/最佳技术奖0的核心技术之一. 这里重点对其/准确巡线、可靠巡线及其简洁实现0进行详细分析.
件、颜色传感器成本相对较高使用较复杂, 故选用了反射式红外器件, 它具有效率高、受可见光影响较小、造价低廉、易于使用等优点.
如图1, 地面为绿色, 虚线框表示机器人底盘, Q 为事先随意规划的白色路径引导线, L 和R 为机器人行走的左、右电机, A 、B 、C 为3个相同的巡线反馈模块, 给系统提供反馈信号表明对应模块下方是否有白线. 在机器人前进过程中,
系统不断扫描A 、B 、C 这3个巡线模块, 得到引导线Q 和A 、B 、C 的相对位置, 上层策略程序结合赛场其它信息及预定行走路径, 向左右电机发出相应的姿态调整指令, 分别改变左右电机转速, 使机器人能够完成要求的工作任务.
图1 机器人寻线行进示意
1 系统工作机理
让机器人巡线前进有很多解决途径, 并有多种光电器件可供选择, 如光敏器件、红外器件、光纤器件、颜色传感器等. 由于光敏器件受可见光影响较大, 光纤器
2 硬件实现
2. 1 红外传感器件的选用
根据信号的发射和接收方式, 红外线对管可以分
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为反射式和对射式两种类型. 选用型号为ST178的
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收稿日期:2005-05-15
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60274022); 四川省教育厅2004年度自然科学基金重点资助项目(2004A 131)
作者简介:张华(1969-), 四川绵阳人, 西南科技大学副教授, 重庆大学博士研究生, 主要研究方向:智能控制理论与智能系
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重庆大学学报(自然科学版) 2005年
反射取样式红外线对管作为巡线传感器. 它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成, 以非接触检测方式, 检测距离可调整达4~20mm.
如图2所示, 反射式红外线对管由红外线发射管D 和红外线接收管BG 组合而成. 其典型应用电路见图3, R 1为发射管的限流电阻, R 2是输出分压电阻, V CC 是发射管供电电压, V ref 是输出信号的参考电压, V ou t 是输出信号. 工作时, 发射管D 发射出的波长约为940nm 的红外线信号经反射面传送到接收管上, 当反射距离一定时, 反射信号的强度随反射面的材料和颜色的不同而不同, 接收管的导通电阻R BG 随接收到的反射信号强弱而改变, 信号越强电阻越小, 信号越弱电阻越大. 导通电阻R BG 和输出分压电阻R 2对V ref 分压之后输出V out 的模拟电压信号, 供后级处理, 如进行A /D转换或者送比较器等
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V ou t 值, 最后得到的数字量也就不同. 暗绿色、蓝色比较接近, 红色、白色也比较接近, 但是这两组颜色的差异很大. 同一种颜色但不同的高度对V out 也有较大影响, 并且存在峰值, 为了准确和可靠, 将安装高度确定在8mm (比较接近峰值).
表2是不同光照环境下得实验数据, 可以看出, 虽然环境光线对红外信号的作用不是特别大, 但还是有一定的影响, 如果按图3直接使用需要给光电管加装了黑色遮光套, 尽量减少外界强光对接收管的干扰, 以提高其可靠性.
表2 不同环境光线情况下的各色反射面V out 值环境光照白天有阳光白天阴天夜晚无照明夜晚普通照明
暗绿色0. 920. 720. 680. 70
深蓝色1. 120. 890. 810. 84
桔红色4. 594. 373. 623. 74
乳白色4. 68
4. 563. 843. 98
V
说明:V RE F =5V 、安装高度8mm.
图2
红外线对管结构示意图
2. 2 调制型颜色检测电路
图3中, 发射管发射的红外线频谱很宽, 由表2可见, 受环境光线, 环境温度影响较大. 如果发射管发射的光线改用调制光, 则可以较好地提高系统抗外界光
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干扰的能力. 在光电信号接收端收到的信号除了环境光产生的分量外, 就是调制光反射产生的分量, 设计适当的电路提取其中的调制光分量信号, 从而较好地消除了环境光线带来的影响. 当发射信号为38k H z 的方波, 接收到的反射后信号中包含直流分量和交流分量. 直流分量反映出环境光的作用, 环境光线越强则直流分量的幅值越高. 高频率的交流分量则反映出调制信号的作用. 由交流分量的幅值大小, 即可获知反射强度, 从而得到反射面的距离、颜色等信息.
如图4, 发射信号U s 占空比为10%, 频率38k H z , 设环境光强为U i . 反射信号U r 中, U a 为交流分量, U d 为直流分量. f (c , , t d) 来表示反射强度, 它随温度t , 颜色c , 距离d 的不同而发生改变. 接收信号可表示为:
图3 红外线对管典型应用电路
V ou t =(R2/(R2+R BG ) ) V REF , 其中, R BG 是红外线接收管的导通电阻.
当V CC =5V, V REF =5V, R 1=3008, R 2=20k 8时, 实际测量反射面分别为暗绿色、深蓝色、桔红色、和乳白色时的V ou t 电压值. 如表1所示.
表1 不同颜色不同安装高度的V out 值
安装高度/mm
2
581015
暗绿色0. 690. 770. 820. 720. 51
深蓝色0. 780. 830. 950. 760. 54
桔红色1. 543. 264. 513. 923. 81
乳白色
1. 764. 154. 614. 253. 86
图4 调制型颜色检测电路原理示意
V
说明:V RE F =5V 、白天普通日照.
,
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U r =U a +U d =k r *f (c , , t d) *(U S +U i ).
其中K r 为反射常系数, 对接收到的信号除去直流分量U d , 检测交流分量U a . 在一般应用场合, 如果接收管与地面的距离保持基本一致, 可忽略温度及距离的变化, 光电反射强度主要受颜色的影响. 这样即可实现抗环境光影响的巡线检测. 采用调制方式的信号处理电路原理框图如图5
.
根据这个标志给出控制信号, 调整左右电动机的速度
等级, 让机器人底盘发生偏转, 最终使得机器人的运动方向不断纠正而保持在引导线上(如图7所示).
图5 调制光型接收电路原理框图
38kH Z 的载波信号可以用单片机直接输出也可用555振荡产生. 接收到的信号经电容隔直后(无源高通环节), 作一级放大, 将交流分量作检波处理即可得到所需的采样信号. 2. 3系统硬件实现
以参加第二届大学生机器人电视大赛中的参赛机器人为例, 选用AT M EL 公司的ATMEGA8L 单片机作为核心控制芯片, 配以红外对管巡线模块和L298双H 功率桥电机驱动模块和相关电路构成机器人行走控制系统, 如图6所示
.
图7 寻线流程图
图6 寻线机器人系统框图
红外线对管巡线模块使用的是3个完全相同的反射反馈单元, 即如图3所示的典型应用电路. 每一路的反馈电压V ou 都分别送到单片机的一路A /D转换输入t
引脚上去, 供单片机采样.
在安装中, 要注意巡线模块轴线和行走电机轴线要有适当的距离, 如图1所示, 巡线模块靠前, 电机靠后. 这样做是要让电动机速度改变带来的微小角度差能够在巡线模块处产生较大的偏转距离, 从控制系统的角度来看也就是提高了反馈信号的灵敏度.
3 软件实现
3. 1 巡线软件的实现
反射检测单元输出的V OUT 模拟电压送到AT -M EGA8L 内部自带的10位A /D转换接口I /O上, 系统程序依次取得对应的数字量. 该数字量分别和颜色电平阈值(即绿色场地和白色引导线的区别阈值) 相比较, 判断对应单元下方是否有引导线, 进而得到引
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整个巡线子程序嵌入到系统1m s 定时中断服务程序中, 包括反馈模块A /D采集转换子程序、状态标志组合子程序、驱动调整子程序.
驱动调整子程序输出左右电机的速度等级, 底层的电机驱动程序挂接在单独的定时器中断服务程序中, 采用P WM 调速的方式, 根据上层给出的速度等级调整电机驱动方波的占空比, 一旦左右电机产生速度差, 即可实现行走方向的改变, 并且转弯半径可由速度(速度等级) 的差值来调节. 3. 2 动态阈值算法及其实现
要区别反射面的颜色, 必须要有一个区分电平, 也就是阈值. 一般的做法是在初始时刻采集不同颜色的反馈数值, 计算出平均电压, 得到一个阈值, 此时的阈值固定. 当机器人在场地中行走时, 场地的材质不均匀, 或者所处场地材质相差较大, 原先的阈值就不能准确地描述实际的区分电平, 造成机器人巡线错误. 因此, 采用了动态阈值的做法, 实时地调整阈值, 自动适应场地, 很好的解决了阈值固定造成的漏洞. 同时, 省
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却了初值采集的步骤, 简化了操作.
动态阈值的原理是:扫描采集每一个光电传感器反馈的电压值, 统计出其中的最大值M ax AD 和最小值M i n AD, 当两个极值的差SubAD 大于一定门限Step AD 时, 计算出两个极值的平均值Thresho l d AD 作为当前的阈值, 然后由这个阈值得到各个光电传感器对应反射面的颜色深浅, 供上层策略处理. 这里的门限是基于统计平均得出的白电平最小值和黑电平最大值的差. 为了提高动态阈值的准确度, 必须增加光电传感器的数量, 结合实际情况, 对当前计算的阈值作适当的增加或是减少. 将光电管的数量确定为8个, 用模拟开关集成电路CD4051来扫描每个光电管, 并且调整管子之间的距离, 保证在巡直线前进后退时, 至少一个管子在白线上, 至多两个管子在白线上, 而在纵横交叉点时一排传感器均在白线上. 动态阈值的处理的实现如图8
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沿用类似的思路, 巡线模块还可用于多个颜色的识别, 让智能机器人在复杂地图上自主行走. 目前, 在自主机器人的研究中还常常有光源、声音、无线电、图像信号等多种导航与定位方式. 笔者所提出的处理思路对这些方面的研究也有一定的参考意义. 参考文献:
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4 结 论
理论分析与实践效果均表明, 上述方法可以较好地实现机器人巡线行走. 在硬件上保证了反馈信号的
简洁可靠; 在软件上采用自适应算法, 极大提高了引导线和场地颜色的分辨率, 克服了器件、场地、及环境光的影响. 这两方面的措施都使得上层软件能够很轻松的控制行走机构, 让机器人可以按照预期的路径运动.
L i ne -tracki ng Technology and It . s Application in t he Contest Robots
ZHANG Hua , LI Zu-shu , W U J i a n , HU T i a n-li a n , CHEN Hu-m i n g
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(1. I nstitute o f IntelligentAuto m ati o n , Chongqing Un i v ersity , Chongq i n g 400030, China ; 2. Centra l o f Eng i n eering &Techno logy , Southw estUn i v ersity of Sc ience and Techonlogy , M ianyang 621010, China ;
3. I n f o r m ation Schoo, l Southw estUn i v ersity of Sc ience and Techonlogy , M ianyang 621010, Ch i n a)
Abst ract :There are i m portant si g nifica ti o ns i n the industrial production and acade m y research to m anage the i n telli g ent robot w al k s along t h e schedu led track . Th is paper co m b i n es the develop m ent o f the contest robo, t and d iscusses the re liable m ethod to rea lize th is f u nction. By the discussi o n on t h e chosen o f the key sensors , sensi n g princi p le , realization of resisting the i n terference fro m surround i n g li g ht and se l-f adaptati o n adjust m ent algor ith m, the authors ana lyz the li n e -tracking technology on contest robo ts precisely . Practice i n dicates that the m ethod of t h e hardw are and soft w are stated is conc ise and reliab le , and there are so m e reference si g nificati o ns i n the app li c ation research o f the i n telli g ent robo. t K ey w ords :i n telli g en t robo; t li n e -track i n g ; reliab ility ; reflecti n g infrared sensor
(编辑 吕赛英)