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作者:黃英哲(2009-03-25);推薦:徐業良(2009-07-11)

智慧型機器人輪椅超音波避障控制規劃

本計畫機器人輪椅閃避障礙物時,主要是利用超音波感測器來得到外界資訊,進而利用所設計的閃避方法,來使得機器人輪椅能順利地抵達目的地。因此必須知道在行進的過程中,是否有障礙物的存在,來避免造成碰撞之損害。考慮機器人輪椅前進路徑的環境資訊,在環境訊息方面,我們藉由在車體上方裝上五顆超音波感測器。藉由各超音波的感測器強度不同,進而推算出障礙物與機器人輪椅的相對位置。將各個感測器所得到的數值,經由計算之後來推算機器人輪椅應該進行的速度及行進方向。

1.     超音波感測器簡介

人類可聽到的音波頻率範圍為20KHz以下,超音波是指頻率超越人類可聽範圍的音波(頻率為20KHz以上)。超音波感測器大概可分為以下三種:

(1)   對射型

1(1),超音波發射端及接收端以面對面方式放置,若無物體通過超音波兩者之間時,接收端有最大之電氣訊號,而有物體通過超音波兩者之間時,超音波將被擋住,由於超音波具有繞射及穿透等因素,所以還會有微量超音波會送至接收端,透過接收端之訊號變動,可得知在超音波兩者之間的路徑上是否有物體通過。所以對射型適用於偵測物體之有無或安全防護,例如事務機之卡紙偵測裝置、自動化產生線計數及檢測物體等應用。

(2)   分離反射型

1(2),超音波發射端及接收端置於同一側,由發射端發出超音波,當遇到物體後將反射回來由同一側的接收端接收訊號,藉此得知附近有物體,亦可藉由超音波從發射到接收的時間長短,計算其物體與感測器相對距離的遠近。若有很多顆分離反射型,更可以估算出物體的位置。所以分離反射型適用於偵測物體或量測距離,例如倒車雷達、防盜器及電動門等應用。

(3)   共用反射型

1(3),超音波發射端及接收端整合為一個包裝的感測器元件,以脈波方式驅動發射超音波,藉由折返回來之超音波來檢測物體,與分離反射型的功能是一樣的,所以反射型適用於偵測物體或量測距離,其應用與分離反射型相同。

1. 超音波感測器示意圖[1]

超音波在感測方面的應用,視為不同於電波的應用領域,並有廣闊的偵測範圍。超音波偵測之樞要所在,就是超音波送受波器。超音波送受波器所使用之頻率,一般皆為2040KHz。超音波的強度會隨著傳送之距離而衰減,主要原因是由於能量的散失與分佈球面積越來越大的緣故;另外超音波在空氣中的衰減也與頻率成正比,頻率低的超音波可到達的距離遠,但超音波的頻率越來越高時,其衰減越嚴重,所傳送的距離也越短[2]

超音波感測器的好壞主要有幾個重點:受波感度、送波感度、頻帶寬、指向角;超音波感測器的特性包括(1)高感度,形體小重量輕;(2)耐濕溫度特性優異;(3)耐振動,耐衝擊性優異。

2.     超音波測距原理

機器人輪椅避障是利用超音波測距離的方式執行,所以採用分離反射型實現超音波的感,由超音波發射到接收所花費的時間t的多寡,來估算目標物與機器人輪椅之間的距離:

        距離=速率時間                                                                              (1)

在一大氣壓及操作溫度為20時,超音波在空氣中之傳播速度為343m/s,然而聲音傳播速度()會隨著溫度()而改變,其關係如式(2)

                                                                                           (2)

其中為操作溫度()為聲音傳播速度(m/s)

超音波測距原理如圖2所示,待測物體制超音波感測器距離X計算如下:

                                                                                                   (3)

其中為超音波發射訊號至接收訊號所需時間,為音波入射角,為超音波折返點到機器人輪椅的最短距離。實務狀況下

2. 超音波測距原理圖

3.     避障控制演算法

機器人輪椅避障控制流程一開始先掃描四周環境,前方若有通道則選擇最佳角度,並讓全向輪往該角度移動,接著再繼續掃描環境循環動作;若前方沒有通道則將左方及右方之障礙距離總和作判斷,以決定原地旋轉的方向。

3為感測器配置圖,使用5個超音波,s1~s5為超音波,箭頭為超音波感測方向,環繞機器人輪椅前半圓,傳回訊號為脈波訊號,計算脈波寬度即可得知距離。方位誤差定義為當前方位與起始方位的相對角度,4為方向誤差表示圖,其關係式如式(4)

        方位誤差起始方位-當前方位                                                        (4)

3. 感測器配置圖

4. 方位誤差表示圖

4(1)所示,起始方位定為90度,若移動後的方位為77度,可得知方位誤差為:90度-77度=135度。由於方位誤差計算出來大於5度,因此判斷須原地左轉來調整方位。

4(2)所示,起始方位定為90度,若移動後的方位為134度,可得知方位誤差為:90度-134度=-44-5度。由於方位誤差計算出來小於負5度,因此判斷須原地右轉來調整方位。如誤差方位介於負5度到5度之間時機器人就直走,直到沒有障礙物即避障結束。

避障控制流程如5所示。首先記錄機器人輪椅起始方位值,接著作環境掃描,判斷前半圓的範圍內有無障礙物,若有障礙物則開始原地旋轉,其轉向由方位誤差去判斷。當前方半圓的範圍內無障礙物時,有五種行為模式讓系統判斷該往哪種角度(分為0度、30度、90度、150度、180度)去做全方位移動,最後回到環境掃描重新判斷,直到沒有障礙物即自動修正機器人輪椅方位,使其與初始記錄的方位一樣,如此一來當機器人避開障礙物後,還是能夠朝預設方向移動。

5. 程式流程圖

參考文獻

[1]       陳彥儒,「超音波感測器為基礎之自走車路徑規劃與導引」,大同大學,碩士論文,民國94年。

[2]       楊雅兆,「使用超音波感測之自走車避障實務設計」,中原大學,碩士論文,民國93年。