關(guān)鍵詞: 機(jī)器人；ARM9；超聲波；導(dǎo)航；避障

     在機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低等優(yōu)點，被廣泛用作移動機(jī)器人的測距傳感器，以實現(xiàn)避障、定位和導(dǎo)航等功能。實驗室機(jī)器人以S3C2410+Linux系統(tǒng)為架構(gòu)，采用了高精度的SRF05超聲波傳感器測距，實現(xiàn)對機(jī)器人的導(dǎo)航避障。該傳感器的回波反饋與測距方式與通用的超聲波傳感器有所區(qū)別，在S3C2410系統(tǒng)中實現(xiàn)也稍有難度，由于傳感器精度可達(dá)到1cm，因此使用該傳感器彌補(bǔ)了通用超聲波傳感器近距離測距存在盲點的問題，節(jié)省了外圍紅外測距模塊等硬件資源。
1 SRF05傳感器工作原理
    S3C2410微控制器利用10 μs的高頻脈沖觸發(fā)SRF05傳感器，觸發(fā)下傳感器會發(fā)出8個40 kHz的超頻脈沖，當(dāng)SRF05傳感器的ECHO引腳電平為高時，開啟定時器計數(shù)器計時；當(dāng)ECHO變?yōu)榈碗娖綍r，表明機(jī)器人遇到障礙物，編程實現(xiàn)定時器停止計時。高脈沖寬度與測距距離有正比關(guān)系，SRF05的測距有效范圍為1 cm～4 m，無障礙物或遇超大障礙物時，ECHO腳會變?yōu)榈碗娖?，此過程需要時間為30 ms，設(shè)置定時器的周期比超聲傳感器探測最大距離所需的渡越時間稍長。因此，在測距時定時器周期設(shè)置應(yīng)至少大于30 ms才能有效測距。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計
2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
    輪式移動機(jī)器人核心控制系統(tǒng)由觸摸屏顯示、攝像頭圖像采集、超聲波避障、直流電機(jī)閉環(huán)控制、人感應(yīng)傳感器、水(火)檢測和氣體檢測模塊、串口無線Modem模塊部分組成。其中超聲波避障模塊直接影響機(jī)器人行進(jìn)位移的精度以及在有效范圍內(nèi)的圖像采集控制。整個系統(tǒng)基于ARM9架構(gòu)的S3C2410微控制器與Linux系統(tǒng)平臺，使用Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序控制各個硬件模塊^[1]。
2.2 超聲波測距系統(tǒng)
    為了實現(xiàn)導(dǎo)航、避障，移動機(jī)器人的前、后、左、右各安裝1路SRF05超聲波傳感器，使機(jī)器人能夠感知4個方位的障礙信息。另外，為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)展，可添加安裝多路SRF05超聲波傳感器，進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)器人的導(dǎo)航避障性能。安裝超聲波傳感器之間角度應(yīng)該大于它的波束角30°，這樣傳感器同時工作時才不會有干擾。采用分組的方式，左右兩套和前后兩套分別為一組，組與組之間采用輪循的方式工作。這樣既可以得到很高的采集頻率，同時也滿足了系統(tǒng)的實時性要求。
    采用相關(guān)GPIO口作為超聲波傳感器的INIT觸發(fā)引腳，并且配置定時器周期，設(shè)置定時中斷及外部中斷。測距流程：開始打開超聲波，激發(fā)傳感器INIT引腳10 ms，打開定時器并開始計時，在定時器周期內(nèi)收到傳感器ECHO低電平觸發(fā)外部中斷，在外部中斷處理程序中讀取定時器計數(shù)值，計算障礙物距離，并且傳送給中央處理器。不同組傳感器的開啟在定時中斷中完成，并且開啟另一定時器完成計數(shù)功能^[2]。系統(tǒng)測距流程圖如圖1所示。

2.3 采集回波
    S3C2410 GPIO觸發(fā)中斷只能設(shè)置一種觸發(fā)方式，如果設(shè)為上升沿觸發(fā)打開定時器計時，則無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時器，因此采用軟件方式實現(xiàn)。設(shè)置2個時間延遲函數(shù)usdelay( )和msdelay( )，在給出10 ms高頻脈沖后等超聲波觸發(fā)再使能定時器計時，這些在該組傳感器對應(yīng)的定時器中斷中完成。并設(shè)置外部中斷EINT1接收超聲波傳感器的ECHO回波引腳的變化。其觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，等下降沿來臨關(guān)閉定時器讀出計數(shù)值即為脈寬的時間長度時，然后根據(jù)距離公式=（ECHO 高電平的時間）×（聲納速度）/2得出距離?？諝庵蠽與溫度關(guān)系：T為攝氏溫度^[3]。一般情況下超聲波速近似聲速，在室內(nèi)溫度影響下取約343.2 m/s。
3 軟件實現(xiàn)
3.1 延遲函數(shù)實現(xiàn)
    設(shè)計軟件延遲函數(shù)usdelay( )，代碼實現(xiàn)如下：
    static int delayLoopCount1=10;
    void usdelay(int time)
    { int i;
      for(;time>0;time－－)
　　    for(i=0;i    函數(shù)延遲時間為10μs，打開傳感器激發(fā)高頻脈沖后延遲10μs然后關(guān)脈沖，即可利用該函數(shù)。
    設(shè)計msdelay( )函數(shù)用于衡量整個測距周期的時間值。msdelay(1000)延遲大約為1 s，這樣系統(tǒng)可以有足夠的回波檢測時間，同時也不會對其他多路超聲波傳感器造成信號干擾。msdelay( )代碼實現(xiàn)如下：
    static int delayLoopCount2=1310;
    void msdelay(int time)
    { int i;
      for(;time>0;time－－)
　　    for(i=0;i    可以利用PC口相關(guān)引腳作為超聲波傳感器使能端口，程序?qū)崿F(xiàn)如下：
    rGPCCON=0x555；//端口C為輸出口用于啟動超聲波，可激發(fā)多路超聲波
    rGPCDAT=0x0；//數(shù)據(jù)位清0
    rGPCDAT=0xf；//設(shè)置為高頻脈沖，發(fā)出8T 40kHz超頻波
    usdelay(1)；//延遲10μs
    rGPCDAT=0x0；//清數(shù)據(jù)位
3.2 回波檢測實現(xiàn)
    利用定時器計數(shù)器功能和外部中斷可以實現(xiàn)回波檢測計算障礙物距離，外部中斷接超聲波的ECHO并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。定時器的初始化如下：
    rTCFG0=0x9595;                                      //預(yù)分頻值為95
    rTCFG1=0x00000;                                     //分割值1/2
    rTCNTB0=10 000;
    根據(jù)T=[TCNTB0×（TCFG0+1）×（1/TCFG1）]/50MHz得出定時器的周期為60ms,在這個時間段內(nèi)足以計算回波時間。
    外部中斷1初始化如下：
    rGPFCON=0xaa;                              //GPF1 設(shè)置為 EINT1
    rINTMOD=0x0;                              //為普通中斷
    rGPFUP=0xf;                              //禁止 GPF0 上拉電阻
    pISR_EINT1=(unsigned)Eint1Handler;       //設(shè)置外部中斷
                                             //中斷向量
    EnableIrq(BIT_EINT1);                    //使能中斷
    rEXTINT0 =0x492;                         // EINT1 下降沿觸發(fā)
3.3 障礙物距離計算
    void __irq Eint1Handler(void)   // eint1 中斷服務(wù)子程序
    {  
    　　sonar_time_front =((10000- rTCNTO0) >> 1);//定時器的計數(shù)值除以2即為障礙物距離
　　    ClearP