基于環(huán)形紅外陣列的移動機器人自動跟隨系統(tǒng)

徐 勝，邢 強，王 浩

（1.南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210026）

如今，機器人技術(shù)發(fā)展迅速。機器人已經(jīng)應(yīng)用到多個行業(yè)，朝著高度智能化的方向發(fā)展。具有跟隨功能的移動機器人是一種在復(fù)雜環(huán)境下自動捕捉移動目標(biāo)物，并且能夠?qū)崟r追蹤目標(biāo)物的機器人［1-5］。其中快速獲取移動目標(biāo)物的空間位置是關(guān)鍵［6-11］。

許多學(xué)者對智能跟隨移動機器人進(jìn)行了研究。包加桐等［12］將里程計與視覺相機相結(jié)合，設(shè)計了具有自主定位和導(dǎo)航功能的跟隨機器人，實現(xiàn)了對目標(biāo)的跟蹤。Srinivasa等［13］利用視覺相機成功實現(xiàn)了在不規(guī)則室內(nèi)環(huán)境中對目標(biāo)的精確識別和定位。目前，在很多復(fù)雜環(huán)境中可以通過視覺定位準(zhǔn)確識別目標(biāo)，但是在圖像處理時須用處理器將采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，這對微型控制器的處理速度提出了較高的要求。此外，謝德勝等［14］將GPS（global positioning system，全球定位系統(tǒng)）與RTK（realtime kinematic，實時動態(tài)）技術(shù)融合，設(shè)計了軌跡跟隨機器人。杜華臻等［15］將激光雷達(dá)作為環(huán)境感知傳感器，來捕捉人腿的圓弧形特征，實現(xiàn)了對人體目標(biāo)的跟隨。上述研究主要依靠相機、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等來感知環(huán)境，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和跟隨。然而，將這些硬件設(shè)備應(yīng)用到智能車的成本十分高昂，這對智能車的普及帶來了阻礙。因此，研究低成本的傳感器方案并將其運用于智能車的跟隨勢在必行。

為此，本文設(shè)計了一種基于測距羅盤的移動機器人的目標(biāo)跟隨系統(tǒng)。借鑒于復(fù)眼昆蟲具有接近360°的視角，設(shè)計了一種具有環(huán)形大視場的測距傳感器。利用單個紅外傳感器體積小、成本低的優(yōu)點來模擬昆蟲小眼，對目標(biāo)進(jìn)行快速的距離測量和角度測量，以快速判斷目標(biāo)的位置，實現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)定位。并依據(jù)目標(biāo)的位置信息利用PD（proportion-differentiation，比例-微分）控制器控制跟隨機器人的移動，實現(xiàn)其對移動目標(biāo)的自動跟蹤。

1 移動機器人自動跟隨系統(tǒng)的總體設(shè)計

針對室內(nèi)空曠環(huán)境，提出一種具有主動式環(huán)形大視場的測距羅盤作為環(huán)境感知傳感器。通過該測距羅盤對移動機器人周圍的未知環(huán)境進(jìn)行探測；其主控芯片將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，準(zhǔn)確地計算出其與目標(biāo)物之間的相對距離和相對角度，并運用PD算法將此空間位置關(guān)系與預(yù)設(shè)位置關(guān)系進(jìn)行比較，通過控制跟隨車輛的差動驅(qū)動輪，實現(xiàn)移動機器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)彎，使得機器人與目標(biāo)物保持在預(yù)定范圍；通過無線串口將測距羅盤采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析。移動機器人自動跟隨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 移動機器人自動跟隨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of automatic following system of mobile robot

2 移動機器人自動跟隨系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 基于分布式傳感器陣列的大視場測距模塊

大視場測距模塊采用具有較強抗干擾能力的GP2Y0A21紅外測距傳感器。其有效探測距離為10～80 cm，主要由發(fā)射電路、接收電路和檢測電路三部分構(gòu)成。檢測電路用來將從障礙物反射回來的光的強度信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，從而實現(xiàn)對傳感器與遮擋物體之間距離的測量［16-17］。為了實現(xiàn)接近360°的無死角視野，采用16個測距傳感器組成周向陣列。為了最大限度地降低傳感器之間的相互干擾，將16個同構(gòu)傳感器分為4組，每組4個，各標(biāo)記為1，2，3，4，周向均勻間隔排列在測距羅盤上，構(gòu)成了基于傳感器陣列的測距模塊，如圖2所示。測量時，序號相同的4個傳感器在同一時刻工作，并設(shè)置序號不同的傳感器延遲一定時間測量，避免各組不同序號的傳感器相互干擾。這樣的設(shè)計可以使各傳感器在互不干擾的條件下完成對周圍環(huán)境的檢測。

圖2 基于傳感器陣列的測距模塊Fig.2 Ranging module based on sensor array

2.2 紅外測量和采集模塊

紅外測量和采集模塊使用4組模擬開關(guān)對單片機上的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行拓展，使得單片機4路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道拓展為16路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。每組紅外測量電路包含一個收發(fā)一體式紅外測量探頭、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路和濾波放大電路，且4組紅外測量電路共享STM32控制內(nèi)核和nRF24L01無線通信模塊。nRF24L01無線通信模塊可以實現(xiàn)一對一、一對多、多對多設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。利用它可組成星形、樹形和蜂窩形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與上位機組成分布式測量控制系統(tǒng)。上位機用來接收和保存所測數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。

移動機器人自動跟隨系統(tǒng)以STM32為控制核心，4組紅外測距回路并行執(zhí)行。STM32同時選中4組電路的同一通道4052，紅外傳感器發(fā)射的紅外波遇到障礙物后返回，經(jīng)過各自的4052通道進(jìn)入放大濾波電路，然后進(jìn)入STM32的ADC（analog-to-digital converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）通道，數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)過計算得出距障礙物的距離，并同時保存?zhèn)鞲衅魉诘耐罚纯色@得障礙物的方位。上述過程進(jìn)行4次，即可完成16個傳感器的測距工作，獲得跟隨機器人與移動目標(biāo)物之間的距離ρ和角度φ。

紅外測量和采集模塊的設(shè)計如圖3所示。

圖3 紅外測量和采集模塊設(shè)計示意Fig.3 Schematic of infrared measurement and acquisition module design

3 移動機器人自動跟隨系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 測距傳感器標(biāo)定

GP2Y0A21紅外測距傳感器能夠根據(jù)物體的距離輸出模擬電壓。距離越遠(yuǎn)，其輸出的模擬電壓值越小，且電壓值與距離之間存在非線性關(guān)系。因此，須對測距傳感器的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。

在傳感器10～80 cm的量程范圍內(nèi)，每隔5 cm取一個測量點，并在每一個測量點記錄其實際距離和傳感器輸出的模擬電壓值。為了減小在測量過程中產(chǎn)生的隨機誤差，進(jìn)行10次測量，取測量的平均值，并將數(shù)據(jù)全部輸入MATLAB軟件。利用冪擬合的方法對數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示。擬合結(jié)果表明，擬合的確定系數(shù)為0.999 3，殘差平方和為0.002 3，可見擬合效果較好。

圖4 實測距離與電壓值的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of measured distance and voltage value

該擬合曲線的表達(dá)式為：

式中：U（ρ）為紅外測距傳感器輸出的模擬電壓值。

3.2 定位模型

定位模型表示在跟隨機器人與移動目標(biāo)物處于同一水平高度的條件下，移動目標(biāo)物在測距羅盤坐標(biāo)系下的位置，如圖5所示。第i個測距傳感器檢測到的數(shù)據(jù)為（ρi，φi）（i=1，2，…，16）。當(dāng)跟隨機器人的周圍存在目標(biāo)物時，其對應(yīng)方向上傳感器檢測到的距離信號值會小于其他傳感器檢測到的值。因此，在t時刻取最小信號值作為跟隨機器人對目標(biāo)物的定位結(jié)果（ρt，φt），即：

圖5 定位模型示意Fig.5 Schematic of positioning model

利用定位結(jié)果（ρt，φt）對車體兩側(cè)的差動驅(qū)動輪進(jìn)行控制，以實現(xiàn)移動機器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)彎等運動，最終使跟隨機器人與移動目標(biāo)物保持設(shè)定的距離ρw和偏航角φw。

3.3 跟隨機器人的數(shù)學(xué)模型

如圖5所示，假設(shè)兩輪差速驅(qū)動跟隨機器人的質(zhì)心c位于跟隨機器人幾何中心位置，則機器人的質(zhì)心坐標(biāo)為（xc，yc），機器人的姿態(tài)向量P=（xc，yc，θ），其中θ為方向角。

根據(jù)剛體力學(xué)可得跟隨機器人的運動學(xué)方程為：

式中：v為跟隨機器人的線速度；ω為跟隨機器人的角速度；v1和vr分別為跟隨機器人左、右驅(qū)動輪的線速度；l為跟隨機器人兩驅(qū)動輪的輪距。

跟隨機器人的運動滿足如下約束：

則式（5）可改寫為：

將式（4）離散化，可得：

式中：T為采樣周期。

3.4 跟隨機制

為了實現(xiàn)對跟隨機器人的快速控制，同時考慮場景控制所需的較強實時性，選擇適應(yīng)性強、控制簡單的PD控制律。跟隨機器人的PD控制原理如圖6所示。

圖6 跟隨機器人PD控制原理示意Fig.6 Schematic of PD control principle of following robot

式中：kp為比例系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

以一階后向差分近似代替微分，則PD控制律的離散化方程為：

3.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集程序主要在LabVIEW軟件中編寫完成。利用串口技術(shù)［18-21］實現(xiàn)對測距羅盤數(shù)據(jù)和隨動機器人路徑的可視化采集。下位機接收到測距羅盤的數(shù)據(jù)后，會將實時距離信號編碼成帶有校驗碼的字符串傳送回上位機；用于定位跟隨機器人的室內(nèi)定位系統(tǒng)［15］將實時記錄機器人的二維坐標(biāo)，并通過串口上傳至上位機。上位機循環(huán)接收上述傳感器信號，在其操作界面可以顯示在極坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)系下測距羅盤數(shù)據(jù)和機器人跟隨路徑，如圖7所示。

圖7 測距羅盤數(shù)據(jù)和機器人跟隨路徑的顯示界面Fig.7 Display interface of ranging compass data and robot following path

4 移動機器人自動跟隨實驗

跟隨機器人如圖8所示。其采用差速輪，差速電機選用MG513BP30直流減速電機，電機額定功率為7 W，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)500 r/min。該型號電機自帶高精度AB雙相光電編碼器，尾部500線AB雙相輸出；減速比為1∶30的電機減速器的輸出軸旋轉(zhuǎn)1周，可以輸出15 000個完整脈沖。下位機中，選用基于ARM32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機作為整個系統(tǒng)的控制中心，協(xié)調(diào)和控制各個模塊的工作。下位機的主要任務(wù)是采集測距羅盤的模擬信號并將它轉(zhuǎn)換為距離信號以控制跟隨機器人的運動，通過無線串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機中，通過LabVIEW軟件進(jìn)行可視化分析。

圖8 跟隨機器人Fig.8 Following robot

為觀察搭載測距羅盤的跟隨機器人在小范圍無障礙環(huán)境中的自動跟隨效果，進(jìn)行移動機器人自動跟隨實驗。

先將目標(biāo)物放置于跟隨機器人前方某處不動，引入全局平面坐標(biāo)系，用于描述機器人跟隨運動的軌跡。在初始時刻，全局平面坐標(biāo)系與測距羅盤初始坐標(biāo)系重合。設(shè)定相關(guān)參數(shù)：ρw=0.2 m，φw=0 rad，l=0.4 m，跟隨機器人最大速度vmax=0.5 m/s。實驗在平地上進(jìn)行，因此不考慮跟隨機器人和目標(biāo)物在垂直方向的位置變化。啟動移動機器人的自動跟隨系統(tǒng)，通過上位機實時記錄實驗過程中測距羅盤的數(shù)據(jù)和跟隨機器人的運動軌跡。

讓目標(biāo)物以恒定線速度v=0.4 m/s進(jìn)行“8”字形運動和方形運動，移動機器人自動跟隨效果如圖9所示。由圖可知，機器人跟隨軌跡連續(xù)，在跟隨過程中未出現(xiàn)跟丟目標(biāo)物的情況。說明跟隨機器人能夠執(zhí)行預(yù)期動作，準(zhǔn)確跟隨目標(biāo)物，跟蹤效果穩(wěn)定。實驗結(jié)果證實了測距羅盤和自動跟隨系統(tǒng)的有效性和可靠性。

圖9 移動機器人自動跟隨效果Fig.9 Automatic following effect of following robot

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于環(huán)形紅外陣列的移動機器人自動跟隨系統(tǒng)。受復(fù)眼昆蟲具有無死角視野的啟發(fā)，利用具有主動式環(huán)形大視場的測距羅盤作為環(huán)境感知傳感器。測距羅盤由數(shù)個紅外測距傳感器組成周向陣列。對紅外傳感器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，使測距羅盤可以準(zhǔn)確、快速地確定其與移動目標(biāo)物之間的距離和偏航角。依據(jù)目標(biāo)物的位置信息并利用PD控制器控制跟隨機器人的移動，使跟隨機器人保持與移動目標(biāo)物的相對距離和相對角度，實現(xiàn)對目標(biāo)物的自動跟隨。在上位機操作界面可以實時顯示跟隨機器人的運動軌跡及其對周圍未知環(huán)境的探測情況，方便實驗結(jié)果的觀察與分析。進(jìn)行了跟隨機器人“8”字形和方形兩種軌跡的跟隨實驗，實驗結(jié)果表明，機器人跟隨軌跡連續(xù)，在跟隨過程中未出現(xiàn)跟丟目標(biāo)物的情況，跟蹤效果穩(wěn)定，證實了測距羅盤和自動跟隨系統(tǒng)的有效性和可靠性。后續(xù)可以通過提高周向陣列傳感器的密度來實現(xiàn)更高分辨率的環(huán)境探測，使移動機器人的應(yīng)用更為廣泛。