基于激光测距传感器的群机器人防碰撞技术研究
随着科技不断发展,激光技术已成为重要的生产技术,在不同领域被广泛的应用,由于激光本身具有较好的方向性和防千扰性,所以往往被应用于距离测量中。机器人作为新世纪的新型科技产品,由于具有极高的应用价值,其数量不断增加。群机器人工作的过程中有时会出现碰撞现象,不但严重影响工作效率,还有可能造成机器人严重损坏。为了防止群机器人出现碰撞问题,提出一 种基于激光测距传感器的群机器人防碰撞技术。研究结果表明,该技术可以有效防止群机器人出现碰撞现象,适于群机器人的应用。
1基于激光测距传感器的群机器人防碰撞技术
1.1群机器人防碰撞技术概述
当机器人开始运行时,激光测距传感器必须立刻测量出该机器人与附近机器人目标之间的距离和相对速度,针对测最的结果直接进行显控处理。文章设计了一种群机器人防碰撞系统,该系统主要由七大部分组成,分别是激光发射器、激光测距传感器、CCD摄像机、激光信号接收器、立体视觉测距模块、数字信号处理器以及显控处理器。
激光传感器将激光发射器生成的激光信号发射出去,当发射信号撞到其它机器人目标后,发射信号会被反射至原机器人,原机器人通过CCD摄像机与激光信号接收器对反射回的图像信息和激光信号进行接收,并将接收到的图像与信号传送到信息处理器[5-6]。根据接收得到的信息,通过信息处理器对目标机器人的行走方向、速度和距离施行测量,最终将测量结果传送至信息显控处理器。显控处理器根据测量结果及时对各个机器人进行控制,防止群机器人之间发生碰撞现象。
1.2激光测距传感器设计
1.2.1 激光测距原理与测距方程
发射的每束激光信号均存在相应的辐射功率与发射角度,当激光信号射向各个机器人时,因受大气的影响,一些激光信号的能量在传射过程中会出现丢失现象。将激光信号撞到的目标机器人作为二次激光发射源,通过目标机器人的漫反射特性计算出沿原机器人激光测距器光轴方向的激光辐射亮度,根据接收到的目标机器人反射激光信号的消减程度,求出反射激光信号的功率。图1描述的是激光测距原理。
机器人在行走时,为了最大化接收目标机器人反射回来的激光信号,并排除背景信号的干扰,可令机器人系统中激光接收器接收角0,与激光发射器发射角0,相等,此时发射出的激光束半径和接收到激光束半径相等。当激光发射器与接收系统不在同一轴上,且激光强度分布还很均匀时,计算出激光发射源照在目标机器人上的辐射度。
1.2.2激光测距传感器硬件设计
激光测距传感器具体的工作过程为:打开测掀开关后,两路数字式频率合成器一同发出相位相同但频率不同的正弦信号,依次将其当成本振与主振频率源。将主振路信号传至激光发射系统,当成系统的调制信号。将本振路信号直接传至乘法器,当激光接收器的主振信号到达乘法器时,对两者信号施行混频,将混频信号传至滤波放大器。在完成放大处理后,传至两路AID转换器上,打开两路AID转换器进行信号转换,将经转换处理后的数字信号传至数字信号处理器。通过数字信号处理器对得到的数字信号进行详细处理,获取各个目标机器人的距离数据与相对速度数据。最后根据获取的数据,通过显控处理器做出相应处理。
1.3立体视觉测距模块设计
立体视觉测距模块也是群机器人防碰撞系统重要的组成部分其主要由以下部分组成 :CCD镜头,其型号为 CRT8002;图像采集元件,其芯片采用WM8740 解码芯片;图像存储转换控制器,其芯片采用 TB62209FG 控制芯片;数据存储器 ;CCD 摄像机和主机通信控制处理器单片机,其型号为 FM 8PS56E ;通信接口,其芯片型号为 RS485。
1.3立体视觉测距模块设计
立体视觉测距模块也是群机器人防碰撞系统重要的组成部分其主要由以下部分组成 :CCD镜头,其型号为 CRT8002;图像采集元件,其芯片采用WM8740 解码芯片;图像存储转换控制器 ,其芯片采用TB62209FG控制芯片;数据存储器 ;CCD摄像机和主机通信控制处理器单片机,其型号为FM8PS56E;通信接口,其芯片型号为 RS485。
1.4 群机器人防碰撞数学模型
建立群机器人防碰撞数学模型,在 一 群行走的机器人中随机挑出两个相邻的机器人,图4描述的是这两个相邻机器人行走示意图。其中,正方形描述的是原机器人;六边形描述的是目标机器人; V1 代表原机器人的正常行走速度;Vz 代表目标机器人的行走速度; ti 代表原机器人时延 ,该时间 一 般包含两段时间,分别是机器人对接收到激光信号进行处理的时间和机器人接收控制指令做出反应的时间,经过测定 ti 取值范围是 0.2-0.7s;t2代表机器人减速制动时间,也就是机器人开始减速时至两机器人相对速度是0时所花费的时间;从代表机器人减速前两个机器人之间的距离,设定该距离为最大安全距离也代表两机器人相遇时原机器人行走的距离出代表两机器人相遇时目标机器人行走的距离。
2 实验结果分析
为了验证本文提出的基千激光测距传感器的群机器人防碰撞技术的实用性,进行了以下两个实验。在实验室内,将安装激光测距传感器的机器人放在一 群没有安装该传感器的机器人中行走 ,令其达到目的地。安装激光测距传感器的机器人从初始地达到目的地行走的路径。
安装激光测距传感器的机器人可以无碰撞地到达指定目的地,并且在行走过程中每当靠近其它机器人时都会及时改变运动方向,没有与任何一个机器人发生碰撞。然而部分没有安装激光测距传感器的机器人出现了碰撞现象,进一步验证了本文提出技术的实用性。
将目标机器人随机放置在某位置上,根据目标机器人放置的位置对原机器人的行走速度进行调整。机器人在匀速行走时,系统显示屏上会显示出与目标机器人之间的距离。当目标机器人行走 一 定距离后,原机器人开始减速并改变行走方向,记录下原机器人刚开始减速时两机器人之间的距离,改变目标机器人位置和原机器人行走速度,重复上述步骤,并多次进行实验,可以看出,原机器人可以及时接受到目标机器人的相关信息,并且可以在最大安全距离处立刻完成制动,有效防止机器人间发生碰撞现象,本文提出的群机器人防碰撞技术具有很好的实时性。
3 结论
本文提出一种基于激光测距传感器的群机器人防碰撞技术,概述了群机器人防碰撞技术,设计了一种群机器人防碰撞系统。分析了激光测距传感器的测距原理与测距方程,在此基础上设计了激光测距传感器硬件结构。建立群机器人防碰撞数学模型,将计算得到的安全距离与最大安全距离相比,依据比较结果判断机器人是否可以继续正常行走。针对所有机器人都进行相应设计,防止出现碰撞现象。