一種分布式超聲波避障系統(tǒng)及其避障方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及導航定位與控制的技術領域，尤其涉及一種分布式超聲波避障系統(tǒng)及其避障方法。
【背景技術】
[0002]在智能機器人這個領域中，機器人(包含地面機器人和飛行器)的自主避障功能是衡量其智能化程度的重要指標，也是最基礎的方面，自主避障是智能系統(tǒng)中對安全、穩(wěn)定的一個重要保障，只有具備了自主避障的能力，智能機器人(或飛行器)才能高效地完成其他任務。避障不但要求智能系統(tǒng)可以實時探測到障礙或危險物體，而且還要對與自身的運動相協(xié)調(diào)，做出合理的路徑和任務規(guī)劃。目前避障的方式多采用雷達掃描儀，其不僅算法復雜，而且成本較高，其在一定程度上限制了其應用，或采用單一的超聲波，由于單一的超聲筆所測量的廣角范圍有限，無法做到全方位的測量，勢必給機器人避障帶來不利的影響。
[0003]超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，根據(jù)接收器接收到超聲波時的時間差，從而計算出距離。超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中的缺陷，提供一種分布式超聲波避障系統(tǒng)及其避障方法，克服了單一超聲波傳感器對空間信息監(jiān)測的盲區(qū)大、存在幻影干擾等缺點，解決了雷達掃描儀測距存在成本高、算法復雜、計算量大的問題。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0006]—種分布式超聲波避障系統(tǒng)，包含載體、處理器、若干個超聲波模塊；
[0007]所述載體用于裝載所述處理器和超聲波模塊，并接受所述處理器的指令進行避障；
[0008]所述若干個超聲波模塊設置在所述載體上，其發(fā)射方向朝外，且相鄰兩個超聲波模塊的發(fā)射方向之間的夾角均相等；
[0009]所述處理器用于計算各個超聲波模塊方向障礙物的探測距離、并發(fā)送避障指令給所述載體。
[0010]作為本發(fā)明一種分布式超聲波避障系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述若干個超聲波模塊呈等六邊形分布。
[0011]作為本發(fā)明一種分布式超聲波避障系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述若干個超聲波模塊呈等八邊形分布。
[0012]作為本發(fā)明一種分布式超聲波避障系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述處理器采用ATMEGA328 模塊。
[0013]作為本發(fā)明一種分布式超聲波避障系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述超聲波模塊的型號為KS103。
[0014]作為本發(fā)明一種分布式超聲波避障系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述超聲波模塊與處理器之間通過I2C接口相連。
[0015]本發(fā)明還公開了一種基于該分布式超聲波避障系統(tǒng)的避障方法，包含以下步驟:
[0016]步驟1)，設定起始點和目標位置，生成一條由起始點指向目標位置的直線路徑，并將此作為前進路徑；
[0017]步驟2)，判斷載體是否到達目標位置，如果未到達，轉向步驟3)，否則說明任務已完成，轉向步驟9)；
[0018]步驟3)，各個超聲波模塊探測周圍環(huán)境，判斷障礙物區(qū)域，若存在超聲波模塊探測到障礙物且障礙物與載體之間的距離小于預先設定的避障距離，轉向步驟4)，否則轉向步驟8);
[0019]步驟4)，計算載體在該方位的運動速度，通過運動速度判斷機器人是否在往障礙物區(qū)域運動，若計算載體在該方位的運動速度為非負，轉向步驟5)，否則轉向步驟8);
[0020]步驟5)，生成η條從當前位置出發(fā)、方向隨機、長度為預先設定的步長的直線路徑，并分別判斷該η條直線路徑沿前進方向的延長線與障礙物區(qū)域是否有交集，如果延長線與障礙物區(qū)域沒有交集的直線路徑少于2條，則重新生成路徑，直到延長線與障礙物區(qū)域沒有交集的直線路徑大于等于2條，其中，η為大于等于2的自然數(shù)，預先設定的步長的長度小于預先設定的避障距離；
[0021]步驟6)，在所有延長線與障礙物區(qū)域沒有交集的直線路徑中選擇終點距離目標位置長度最小的路徑，按照該路徑前進，前進距離為所述預先設定的步長；
[0022]步驟7)，生成由當前位置指向目標位置的直線路徑，并將此作為前進路徑，轉向步驟8);
[0023]8)，載體按照前進路徑前進，轉向步驟2);
[0024]9)，載體到達目標位置，停止避障。
[0025]本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果:
[0026]1.采用分布式超聲波避障方式，成本較低，適用性和實用性較強；
[0027]2.分布形式多變，可以根據(jù)超聲波的選型和應用場合選擇合理安裝位置；
[0028]3.采用ATMEGA328處理器，編程簡單，易于入門。采用一種隨機生成路徑的避障策略，可讓機器人更穩(wěn)定，快速地躲避障礙物。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明超聲波的工作原理圖；
[0030]圖2位本發(fā)明單個超聲波的測量范圍示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明超聲波安裝八邊形分布圖；
[0032]圖4為本發(fā)明超聲波安裝六邊形分布圖；
[0033]圖5為本發(fā)明全方位超聲波探測范圍示意圖；
[0034]圖6為本發(fā)明中處理器的連接示意圖；
[0035]圖7為本發(fā)明避障方法中路徑規(guī)劃的示意圖；
[0036]圖8為本發(fā)明避障方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明:
[0038]本發(fā)明公開了一種分布式超聲波避障系統(tǒng)及其避障方法，其中，分布式超聲波避障系統(tǒng)包含載體、處理器、若干個超聲波模塊；
[0039]所述載體用于裝載所述處理器和超聲波模塊，并接受所述處理器的指令進行避障；
[0040]所述若干個超聲波模塊設置在所述載體上，其發(fā)射方向朝外，且相鄰兩個超聲波模塊的發(fā)射方向之間的夾角均相等；
[0041]所述處理器用于計算各個超聲波模塊方向障礙物的探測距離、并發(fā)送避障指令給所述載體。
[0042]處理器采用ATMEGA328模塊，超聲波模塊通過I2C接口與處理器相連，因此可實現(xiàn)一個I2C接口連接若干個超聲波模塊。
[0043]下面的實施例中，載體采用機器人。
[0044]超聲波模塊測距地基本工作原理如下:超聲波測距儀裝有超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射器向某一角度發(fā)射超聲波，并開始記錄時間。超聲波通過空氣這種介質(zhì)的傳遞后，如果途中遭遇障礙物便會反射回來，(已知超聲波在室溫下空氣中的傳播速度為340m/s)，當接收器接受到反射回來的超聲波時，計時結束，假設所用時間為t，則可以計算出障礙物距發(fā)射點的距離s為:s = 340*t/2。這就是所謂的時差測距法。工作原理框圖見圖1。
[0045]本發(fā)明所選超聲波模塊的型號為KS103，探測頻率可大500Hz，可使用I2C/串口與主機通信，自動響應主機的I2C/串口控制指令，短距測量量程10cm-470cm，工作電壓在3.0V-5.5V之間，共有20個可修改的I2C地址，這就意味著主機一個I2C總線最多可掛載20個這種型號的超聲波模塊。I2C接口通信速率50-100kbit/s，其單個超聲波的探測范圍可見圖2，所需探測距離的不同，其探測的廣角也不同。
[0046]可根據(jù)超聲波的測距方位和應用場景，對超聲波采用不同的分布。采用KS103型號的超聲波，其測量距離最大可達4.7m，最大廣角可達60度。
[0047]圖3、圖4給出了兩種超聲波傳感器不同的安裝形式分布圖，根據(jù)所選型號KS103的超聲波模塊探測圖和要實現(xiàn)360度全方位探測功能，若在2m處實現(xiàn)全方位探測，需按照圖3方式放置超聲波模塊，若在lm處實現(xiàn)全方位探測，按照圖4方式放置超聲波模塊。
[0048]為了接線方便，簡結，可采用簡易的共接板，將單片機ATMEGA328上的SCL接口，SDA接口，電源，和GND引到共接板上，分別將每個超聲波上的SDA信號線和SCL信號線、電源線、地線連接到對應的接口上，這樣就實現(xiàn)了每個超聲波上的SDA信號線和SCL信號線并接到單片機ATMEGA328上的SDA接口和SCL接口，并實現(xiàn)了與單片機ATMEGA328的共地，由一塊5V電源統(tǒng)一給單片機ATMEGA328和每個超聲波供電。
[0049]處理器ATMEGA328，結構簡單，模塊小巧，時鐘頻率16MHz，具有一個I2C接口，支持外接3.3V-12V直流電源供電。超聲波模塊采用I2C接口與微處理器ATMEGA328相連，其中Vcc用于連接+5V電源，GND用于連接電源地，SDA引腳是I2C通信的數(shù)據(jù)線，SCL引腳為I2C通信的時鐘線。SCL和SDA線均需要由微處理器ATMEGA328接一個4.7K(阻值1