本文介紹了一種基于DSP的機器人自主避障系統(tǒng)。DSP作為微處理器采集超聲波傳感器反饋回來的機器人外界環(huán)境和自身狀態(tài)，經(jīng)過判斷產(chǎn)生機器人移動方向的控制命令，通過擴展異步通信單元發(fā)送給伺服控制器，進而驅(qū)動電機，實現(xiàn)實時避障。

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，機器人的研究與應(yīng)用也越來越普及。它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而且在航天航空、深海探測等危險惡劣環(huán)境中也發(fā)揮了巨大的作用，甚至正在逐漸深入人們的日常生活當(dāng)中。隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，對移動機器人的研究又達到了新的高度，其中，機器人自主避障就是要研究的一個重要方向。本文介紹的一種機器人自主避障系統(tǒng)，以高速DSP作為處理器，實時采集超聲波傳感器感知的外部環(huán)境，進而做出機器人移動路徑的判斷，實現(xiàn)機器人自主避障。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示，采用三個超聲波傳感器感知前方環(huán)境，然后將采集信息送到DSP中進行判斷處理；擴展DSP的異步通信單元，將控制命令以RS232異步通信協(xié)議發(fā)送到左右輪的電機控制器。

3 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計

系統(tǒng)選用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為微處理器。該DSP具有40MIPS的執(zhí)行速度，能滿足系統(tǒng)實時性控制要求；片內(nèi)有高達32K字的FLASH程序存儲器，自帶16路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，一個串行通信接口模塊，兩個正交編碼電路和若干個16位通用定時器 ，簡化了外圍硬件電路。

3.1 傳感器與DSP接口設(shè)計

本文選用的傳感器是Polaroid公司生產(chǎn)的6500系列超聲波傳感器，該傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器。其與DSP的連接如圖2所示。

由DSP的通用I/O口輸出脈沖觸發(fā)傳感器工作，同時由于DSP的輸出電平與傳感器輸入不一致，因此需要加上電平轉(zhuǎn)換單元；觸發(fā)之后立即啟動內(nèi)部計數(shù)器，當(dāng)有回波返回時，傳感器輸出相應(yīng)脈沖作為DSP的外部中斷源，同時DSP停止計數(shù)。

3.2 異步通信擴展單元設(shè)計

伺服控制器可通過RS232接口接收控制命令。由于需要對左右兩個車輪分別控制，而系統(tǒng)選用的DSP只有一個串行通信模塊，因此選用TI公司的TL16C554A作為異步通信擴展芯片，每片TL16C554A均含有4 路異步通信單元，串行數(shù)據(jù)發(fā)送電路如圖3示。

電路中，由DSP的A3、A4、A5地址線和/IS信號線經(jīng)過74LV138D譯碼器芯片譯碼產(chǎn)生4路異步通信單元的選通信號，加上A0、A1、A2地址線和/WE、/RD讀寫信號就可以一起訪問TL16C554A的任一寄存器。/IS是DSP的I/O空間選通引腳，即DSP以I/O地址訪問TL16C554A的寄存器。TL16C554A串行通信電路采用了MAX3232驅(qū)動芯片，實現(xiàn)TL16C554A的電平轉(zhuǎn)換。

4 超聲波測距原理

超聲波測距通常采用時間差測距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，由被障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷障礙物的位置和距離。由于超聲波在空氣中的速度和空氣的溫度濕度有關(guān)，在比較精確的測量中，需要把溫度的變化和其它因素考慮進去。在一般要求不高的應(yīng)用中，可用下面的公式計算： s=c×t/2 s為距障礙物的距離；c為超聲波在空氣中的速度，一般取340m/s; t為發(fā)射與接受超聲波的時間差。

5 避障策略設(shè)計

在移動機器人的行走過程中，由于隨時可能遇到障礙物，而且障礙物的大小、多少未知，所以為了能夠順利的到達目的地，本設(shè)計系統(tǒng)使用三個超聲波傳感器進行現(xiàn)場環(huán)境信息的檢測，使它們的信息能夠互為補充。安放在移動機器人上的超聲波傳感器如圖4所示，其中s1、s2、s3為三個超聲波傳感器，箭頭指向為移動機器人的運動方向。

超聲波發(fā)射端在處理器和前置電路的驅(qū)動下工作，接收端的信號在經(jīng)過放大、整形后在處理器的中斷口產(chǎn)生中斷，通過發(fā)射和接收的時間差計算出機器人與障礙物的相對距離，再由處理器實現(xiàn)避障算法，作出判斷決策，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，然后通過電機自帶的控制器實現(xiàn)電機的運動及轉(zhuǎn)向操縱，從而實現(xiàn)機器人的主動避障。如圖5所示為機器人的避障程序流程圖。

要想實現(xiàn)移動機器人避障行走的自主控制，所面臨的基本問題是：一方面要求有充分的環(huán)境信息，另一方面要求能處理所獲得的環(huán)境信息并使其轉(zhuǎn)化成控制信息。避障算法的設(shè)計主要是解決機器人如何最優(yōu)的避開障礙物。在初始化階段，機器人根據(jù)自身的尺寸和障礙物的尺寸計算出一個最小安全距離，然后通過超聲波傳感器探測出當(dāng)前與障礙物之間的距離，比較這兩個距離的大小后即可確定機器人的運動狀態(tài)。機器人的具體避障規(guī)則，如表1所示。

注：傳感器的狀態(tài)為0表示沒有障礙物；傳感器的狀態(tài)為1表示有障礙物。

6 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了利用超聲波測距信息來實現(xiàn)移動機器人的順利行走。使用超聲波傳感器測距，具有信息處理簡單、速度快的優(yōu)點，但它也具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在發(fā)出的探測波束角度過大、方向性差，只能獲得目標(biāo)的距離信息，而不能準(zhǔn)確的提供目標(biāo)的位置和邊界信息等。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機器人與障礙物之間角度過大時，有可能會發(fā)生碰撞。今后的工作是要完成多傳感器融合，使機器人能夠快速、準(zhǔn)卻的實現(xiàn)避障功能。