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作者:盧嘉泓、林能祺(2009-04-21);推薦:徐業良(2009-04-22)

超音波避障裝置之設計

本文首先簡介超音波避障之原理,接著並詳述超音波避障裝置之設計,及結合全向輪平台之測試。

1.     超音波感測器簡介

超音波是指任何聲波振動,其頻率超過一般人耳可聽到之最高值20,000Hz。超音波由於其高頻特性而被廣泛應用於眾多領域,如探測、工件清洗等。

超音波感測器乃藉由頻率在數十kHzGHz範圍內之彈性波來感測,高頻(~MHz~GHz)多應用於醫學,低頻(20kHz至數百kHz)則常用於距離測量。超音波感測器大致可分為下列四種:

(1)   單一發射型:將超音波發散於空氣中。

(2)   雙頭對射型:發射器與接收器置於兩處,如中間有物體則會遮蔽聲波傳遞,以此達到檢測物體有無的效果,通常用於防盜、生產線計數等。

(3)   雙頭反射型:發射器與接收器於同一側,發射之聲波因環境反射而折返至接收器,常用於距離檢測,也是本研究所使用的類型。

(4)   單頭反射型:與上原理相同,只是將發射與接收器整合為一。

常見的超音波感測器為利用壓電效應的壓電型感測器,由壓電晶片所組成。如使用石英等具有壓電性的電晶體,以特定方向切成之晶片,若有外力施加(聲波振動)使其變形則會有電荷的變化而產生電的訊號。

利用超音波感測器測量距離,是達成避障功能最基本的要求。距離測量是利用超音波碰到物體會反射的特性(如圖1),計算其發射與接收的時間差,算出距離,計算方式敘述如下。

1. 超音波感測器聲波路徑圖

聲音在空氣中的傳播速度受到溫度影響,計算如下:

         (m/s)                                                                                      (1)

其中T為溫度(˚C)。圖1中聲波行經路徑長度D

         (m)                                                                                             (2)

其中為超音波發射到接收的時間(s)

1A為音波的入射角,但通常測量時因發射端與接收端距離d相對於X極小,因此角度A可忽略不計,故與物體之距離X近似D

                                                                   (3)

2.     超音波避障之感測認知與基本程序

本研究開發之超音波避障裝置的基本功能,是要在機器人的應用上能夠偵測行走時環境中的障礙物,並發出指令控制馬達,使機器人做出適當的閃避動作。以上動作可分為感測、認知、作動等三大部份,如圖2為此感測、認知、作動基本程序圖,可稱為「感測融合(Sensor fusion)」,即結合各類感測器的資訊並進行認知,最後作動的一連串動作。感測融合基本上分為三類,分別為感測分裂(Sensor fission),行為導向感測融合(Action-oriented sensor fusion),感測適應(Sensor fashion)

2. 感測、認知、作動基本程序圖

感測融合基本上分為三類,分別為感測分裂(Sensor fission)、行為導向感測融合(Action-oriented sensor fusion)、感測適應(Sensor fashion)等三類。感測分裂為每類感測器只負責一種情形的感測,並各自產生認知再產生作動(如圖3);行為導向感測融合則是各類感測器的感測值被整合為一個認知,並再由此產生作動(如圖4);感測適應是會適應環境、選擇出合適的感測器,並以此認知來作動(如圖5)。

3. 感測分裂

4. 行為導向感測融合

5. 感測適應

在避障動作中必須整合數種感測器的數據,而本研究只以超音波感測器來感測,其感測結果將直接影響認知與作動方式,可歸類為感測分裂。圖2中的“perceptual schema”表示如何單單藉由數個超音波感測器數據判別周邊環境狀況。

而在圖2中的“motor schema”,意指超音波感測器判別當有障礙物後的避障邏輯,目前大致可分為規則型與變化型兩大類。規則型的避障方法通常是當碰到障礙物時只執行數種已設定好的閃避動作,如旋轉60˚、左移50cm等等,優點是撰寫程式容易,但是容易發生在閃躲動作中,會發生再次撞上其他障礙物的情形;變化型的避障是可根據障礙物大小的不同產生不同的閃避方法,此方式較不易發生在避障動作中還撞到物體的情形,本研究中所使用的也是此種方法。

3.     超音波避障裝置之設計

本節將簡介本研究的超音波避障裝置硬體元件,並詳述裝置的架設、測量方式與避障邏輯。

3.1 超音波避障裝置硬體元件

如圖2,本研究開發的超音波避障裝置元件主要也分為感測、認知、作動三大模組。感測模組採用超音波感測器SRF05,認知模組則採用PIC_Proto_452晶片,最後作動所使用的採用全向輪平台達成。各模組硬體原見詳述如下。

(1)   感測模組

本研究所使用的是雙頭反射型之超音波感測器SRF05(圖6),內含換能器與轉換電路板,工作電壓5V,發射聲波頻率為40kHz,每秒最多可打出20次超音波,掃描角度範圍約為60˚,感測距離1cm~400cm,接腳圖如圖7

6. 超音波感測器SRF05

7. 超音波感測器SRF05腳位配置圖

使用SRF05時,5V Supply腳接5V之電源,0V Ground腳接地,Trigger Input為訊號輸入端,此腳可共用同一PIC_PROTO的腳位,測量訊號的輸出腳為Echo Output,輸出距離有效數值的單位為cm

(2)   認知模組

認知模組則使用PIC_Proto_452晶片(圖8),超音波感測器數據由Echo孔讀入,經由PIC_Proto_452晶片內的演算法計算後,輸出作動訊息給馬達晶片,最後由馬達晶片控制馬達作動。

8. 認知與作動模組

(3)   作動模組

本研究中以一全向輪載具(圖9)負責作動,由三顆馬達、輪與馬達晶片組成。全向輪系統目前建構好前進、後退、左移、右移、左前移、右前移、順時針旋轉、逆時針旋轉等八種動作可供閃避障礙物時使用。

9. 全向輪載具

3.2 超音波感測器設置

在超音波裝置的避障設計上有兩個經常遇到的問題,一是聲波銳角反射,二是感測器間相互干擾。

超音波感測器測量距離的方法為發射與接收聲波,測量其時間差以計算距離,但是當聲波的反射角過小時,超音波將無法反射回接收端,造成距離無法測量,故必須在較大範圍角度佈置感測器來減少此問題的發生。

然而當感測器數量增多,一個感測器可能會接收到其他感測器所發出的超音波而造成距離的誤算,感測器越多此問題會越嚴重。為解決此問題,必須將超音波感測器輪流依序開啟,也就是說不同時打開所有感測器,例如有5個超音波感測器(編號15號),使用時則先開啟1號,待1號發射接收完畢後再開啟2號發射與接收,以此類推。基本上超音波感測器發射與接收的時間相當短(20ms),載具速度不快時輪流依序開啟幾乎不會影響避障的效果。

超音波感測器所發出的音波範圍約為平面60˚扇形,但在邊緣處能量較不集中、會影響距離的測量,且載具主要的避障需要集中於前方,故本研究將超音波裝置相隔約30˚放置三顆在前方(如圖10),而兩側加裝的超音波感測裝置除了用來輔助確認閃避的方向,也會感測兩側障礙物。

10. 超音波裝置配置圖

3.3 障礙物閃避流程

本研究在障礙物的判定上,定義當超音波感測器所感測的物件距離數值小於某個值(安全距離)時,即是有障礙物。本研究所使用的全向輪載具平臺為直徑約20cm的圓盤,的行走的平均速度約為30cm/s,與前方物件偵測距離最小值設定為40cm。左右兩側的物件距離最小值則較小,設定為30cm。行走的速度與偵測的距離如同開車的行為一樣,車速越快,需注意的距離就越長,此兩項參數於程式中皆可自行設定

11為本研究避障流程圖。全向輪載具的基本動作為前進,當前方遇到障礙物時(圖10中感測器1 or 3 or 5 < 40cm)會先對左右兩側進行判斷(比較2+34+5),然後向空間較為充裕的一邊進行平移,直到躲開前方的障礙物後再繼續前進;如果是左側遇到障礙物(4<30cm),載具會逆時針旋轉、直到確認前方暢通再繼續前進;右側遇到障礙物時(2<30cm),載具則會順時針旋轉直到確認前方暢通再繼續前進。

11. 避障流程圖

12是超音波避障裝置結合全向輪載具實際完成圖。使用本文描述的避障方法可達成不與障礙物碰撞的效果,但未考慮前進的目的地,未來將與定位系統結合,達成自主行走至指定地點且途中不碰撞障礙物的功能。

12. 超音波避障裝置結合全像輪平台實際完成圖

附錄:程式說明

(1)   給超音波感測器10ms的高電位(命令其開始發出聲波與接收)

(2)   分別執行每一個超音波感測器。

(3)   距離數值為來回時間乘以10除以58(此超音波感測器規格所定義的)。

(4)   距離數值為新測到的距離數值加上一個距離數值平均而來(可修正誤差)。

(5)   當前方三個超音波感測器距離值都大於安全距離則向前進。

Ÿ   MODE1_MAX_DISTANCE為安全距離,設定為40cm

Ÿ   tric_action=1為馬達命令,1為前進

Ÿ   speed.cmd=5為馬達轉速。

(6)   如果前方三個超音波感測器中任一個距離數值小於安全距離,則開始左右空間判斷。當右半測兩個超音波感測器距離數值相加大於左半測兩個超音波感測器距離數值相加,則開始向右邊平移,途中如果右側超音波感測器距離數值小於安全距離則會開始逆時針旋轉。同理,相反狀況時向左平移,如果在途中左側超音波感測器感測數值小於安全距離,則開始順時針旋轉。

(7)   右方超音波感測器感測距離數值小於安全距離,開始逆時針旋轉;左方超音波感測器感測距離數值小於安全距離,開始順時針旋轉。