云计算环境下用于智能机器人避障的激光测距仪设计
云计算环境下用于智能机器人避障的激光测距仪设计
作者:无
智能移动机器人是人工智能领域的重要分支,基于人工智能技术可以进行规划控制和逻辑推理,可以代替人类在恶劣、危险及有毒有害的环境下作业、并且效率更高、精度更好,激光源于被激发的光子队列,具有诸多优良的特性,如单色性、相干性、方向一致、能量高。基于这些特性,激光技术在通信、军事、医疗美容、工业测量等多领域发挥着不可替代的作用。尤其是在激光测距和传感领域,与传统的测距仪相比激光测距仪体积小巧、重量轻、又可以避免传统测距仪易受电磁干扰、测量误差高、难以获得满意测量精度的弊端。
本文提出了一种云计算环境下,用于智能机器人避障的激光测距仪设计。首先分析了智能机器人激光脉冲测距原理,设计了激光测距仪系统硬件部分。该硬件系统由光路部分、信号调制模块、DSP控制器、显示模块等部分构成。介绍了激光测距仪系统的软件工作流程,基于云计算技术的超强运算能力,对高频激光回波信号的脉冲进行数量统计,提取发射信号与回波信号之间的相位差,判断距障碍物的距离,实现智能机器人的智能避障。仿真数据结果证明,提出的激光测距仪设计具有抗电磁干扰能力强,测距精度高、并可以将侧来拿个误差控制在较好的水平。
1、一种云计算环境下用于智能机器人避障的激光测距仪设计
1.1激光测距仪系统硬件设计
激光测距仪采用差频测相和激光信号调制等技术,测量精度高、误差小。测距精度主要影响因素有,大气媒介折射产生的传输光的光速误差、相位提取误差和激光回波信号的调制误差,为提高测量单精度、降低各种误差,对机器人与障碍物间的检测距离进行求微分处理。激光测距仪的硬件结构由光路系统、信号调制模块、和弦控制器及显示模块构成,其中,光路系统包括激光发射器和脉冲回波信号接收器。激光发射器通过驱动电源和激光发射物镜将激光束投射到移动机器人的行进方向,如果前方有障碍物激光束将被反射回来。激光回波信号接收器,由接收、放大电路、接收物镜及款脉冲高功率二极管组成,可以接收反射的激光信号。
智能机器人避障测距仪的电路系统,通过串口的工作方式核心控制模块相连,控制AD8860芯片直接将激光数字频率合成产生20MHz的连续激光回波信号,并传输给激光信号调制器,并经光学系统发射给被测目标。激光测距系统的充放电模块保证系统电源供应,应放电模块电路图。
DSP控制器给发射电路传递信号,并开始发射激光脉冲信号,同时开始启动计数器1,开始统计回拨脉冲数。充放电模块的接收电路开始接收到从障碍物反射回来的回波信号,并打开模拟开关K,激光测距系统开始以大电流放电。
如果系数计数时钟的数量开始上升,此时计数器1暂时停止激光脉冲回波的计数,关闭K1,同时打开K2,此时激光测距系统将以小电流进行充电。通过计数器2对激光脉冲回波计数值的统计,以及对系统每周期时间值的预估,可以计算出使用较小电流对核心控制模块的充电时间。
控制器模块的运算器和计数器与DSP控制器相连,2个计数器同时打开对激光回波进行高频脉冲计数。信号调制器接收到的回波信号后,对信号进行调制和信号混频,低频滤波器信号选频后,再由AD模块进选频后的信号采样,上述激光脉冲回波信号被测量后,在经过距离精测器整理转换,最后将系统运算测量的结果输入显示器。
基于激光脉冲测距的原理和云技术对脉冲回波次数和时间间隔的精确技术,本文给出了适用于移动机器人的避障的激光测距仪硬件结构的设计,与硬件系统相匹配,在云计算的框架下,设计激光测距仪的软件部分和算法实现流程。
1.2云计算环境下智能机器人避障的激光测距仪软件实现流程
在软件控制程序的设计和编写时,要能够直接、快速的读取激光脉冲回波信号,实现对机器人避障行为的调用,对于控制规则可先用一个二维字符组来表示,根据数组元素的值来调用函数。
由激光测距原理可知,在发射信号和接收信号频率一定的前提下,如果激光测距仪的测量精度越高,则提取的距离误差越小。
本文在云计算环境下,提出了一种用于智能机器人避障的激光测距仪系统设计。首先基于激光脉冲测距原理,设计了以光路部分、信号调制模块、DSP控制器、显示模块、重放电模块等为核心的硬件系统。在软件流程设计方面,基于云计算技术对高频激光回波信号的脉冲数量进行精确统计,并提取发射信号与回波信号之间的相位差,判断距障碍物的距离,实现智能机器人在移动过程中的智能避障。
2、实验结果分析
仿真测试试验在20-200m距离范围内,在不同的距离点分别进行测试,提取测量结果与理论值进行比对;并且分别采用传统的电子测距仪和本恩提出的激光测距进行测量,在近距离和远距离分别提取测量误差比较。从数据显示可以分析出,从总体表现来看本文提出的激光测距仪测量数据,与理论值接近,当距离障碍物较近时,测量精度高;当距离障碍物的距离不断增加时,测量数据有所下降,但仍保持在较高精度精度水平范围内。
分别采用传统电子测距仪和提出的激光测距仪进行对比测试,在20-100m和101-200m的两个距离段内进行测量误差的数据统计,将统计结果拟合成曲线,在20-100m的测试区域内,随着测试距离的增加,测量误差都呈现递增的趋势,但激光测距离在各个测试点的误差都要优于传统测试仪,而且误差上升的幅度更小,而在101-200m范围内,由于测试距离较远,测量误差增加,电子测量仪的误差增加明显,与电子相比测量,文章提出的激光测距仪在测量误差上具有一定的优势。
本文通过仿真测试实验证明了提出的云计算框架下用于智能机器人的激光测距仪,在测量精度和误差控制方面均优于传统的测试仪,效果良好。
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