基于超声相控阵的机器人避障设计

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1、山东科学第２４卷第３期２０１１年６月出版ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ．２４Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０１１文章编号：１００２４０２６（２０１１）０３００７５０４基于超声相控阵的机器人避障设计李雯雯，杨济民，厉彦忠，李大鹏，杨娟（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南２５００１４）摘要：对机器人避障系统的超声相控阵进行了二维相控阵设计，给出了一种聚焦扫描的新方法，分析了回波信号。通过对前方ｍｎ个点的聚焦，实现了对前方环境中障碍的实时探测。关键词：相控阵；避障；聚焦中图分类号：ＴＰ３０２．１文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｈａｓｅｄａｒ

2、ｒａｙｂａｓｅｄｒｏｂｏｔｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅＬＩＷｅｎｗｅｎ，ＹＡＮＧＪｉｍｉｎ，ＬＩＹａｎｚｈｏｎｇ，ＬＩＤａｐｅｎｇ，ＹＡＮＧＪｕａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＳｈａｎｄｏｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ∶ＷｅｄｅｖｉｓｅａｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｈａｓｅｄａｒｒａｙｆｏｒｒｏｂｏｔｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙ．Ｗｅａｌｓｏｐｒｅ

3、ｓｅｎｔａｎｅｗｆｏｃｕｓｓｃａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｅｃｈｏｓｉｇｎａｌ．Ｗｅｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｌｅｍｅｎｔｒｅａｌｔｉｍｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｏｂｓｔａｃｌｅｓａｈｅａｄｏｆａｒｏｂｏｔｂｙｆｏｃｕｓｏｆｆｒｏｎｔｍｎｐｏｉｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ∶ｐｈａｓｅｄａｒｒａｙ；ｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅ；ｆｏｃｕｓ各种自然灾害、事故等突发事件发生后，由于灾难现场环境复杂及具有潜在的二次伤害等特点，救援人员［１］很难进入现场开展救援工作。搜索机器人能够在第一时间进入灾难现场寻找幸存者，为下一步的营救工作提供重要信息，

4、从而成为现场营救工作的一个有效的辅助工具。如何使机器人自动避障、自主地探查可通行的［２］路径并顺利的到达预定目标是该问题研究的核心之一。传统的视频、红外、激光测距仪等在充满烟雾和灰尘的环境中很难取得理想的效果，而超声检测环境适应能力强、设备简单、使用方便且安全性好，所以本文提出了一种利用超声相控阵换能器实现通行检测的方法。必要时可结合既往数据的存储，实现回溯导航。１系统硬件组成１．１系统构成本系统设计方案如下：由ＦＰＧＡ模块进行相位和时序控制，通过驱动模块给超声阵列发送４０ｋＨｚ的方波信号，使各个探头在发射时超声波处在同一个相位上，工作时各个探头按照预定的延迟时间

5、依次发送三个周期的方波信号。根据不同的延时时间，超声相控阵能够对前方某一断面的ｍｎ个点实现聚焦。超声相收稿日期：２０１１０２２１基金项目：山东省教育厅科技计划（Ｊ０８ＬＪ２８）作者简介：李雯雯（１９８５－），女，硕士研究生，研究方向为片上系统与ＥＤＡ。通讯作者：杨济民（１９６１－），男，教授，研究方向为片上系统与ＥＤＡ。Ｅｍａｉｌ：ｙｊｉｍｉｎ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ７６山东科学２０１１年控阵发射并接收到回波信号后，先将信号进行放大，放大后的信号经Ａ／Ｄ转换后存储在ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６ＭＣＵ中，之后进行相关的信号分析与处理工作，从而实现相控阵扫描，Ｍ

6、ＣＵ通过总线接口和机器人相连，系统框图见图１。１．２核心ＭＣＵ图１系统框图本系统的核心采用ＳＴ公司生产的ＳＴＭ３２Ｆ１０３单片Ｆｉｇ．１Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｆｒａｍｅ机，该单片机是基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＭ３内核的高性能３２位ＭＣＵ。３．３Ｖ的工作电压，７２ＭＨｚ的主频，１２８ｋＢ的Ｆｌａｓｈ，内含２０ｋＢ的ＳＲＡＭ，２个１６通道１２位模数转换器和３个１６位通用的定时器，其转换速度是１Ｍｂｉｔ／ｓ。１．３超声换能器本阵列振元采用的是一款压电陶瓷式收发同体的ＴＣＦ４０１８ＴＲ１型传感器。其尺寸直径为１８±０．５ｍｍ，中心频率为４０ｋＨｚ，发射声压在１０Ｖ。探测范围

7、０．２～３ｍ，指向角６０°。１．４机器人主体以俄罗斯最新研制的履带式战斗机器人ＭＲＫ２７ＢＴ为例，其最大行进速度为０．７ｍ／ｓ，搭载能力强，该阵列扫描速度完全可以适应其对障碍物检测的要求。该阵列对于行进速度小于１ｍ／ｓ的智能机器人的避障要求均能满足，而多数智能机器人的行进速度会低于该速度限制。２超声相控阵的设计２．１设计原理［３－５］超声相控阵原理是运用电子技术以一定延迟顺序激励各阵元，使各阵元在精确的延时控制下依次发射超声波，在检测声场内合成波阵面，在Ｐ点处所有超声波均相干叠加增强，在Ｐ点以外区域有部分叠加［６］增强点，但在这些点上不是所有超声波均相干叠加，

8、还有些点叠