摘 要：設(shè)計(jì)了基于S3C2410+Linux平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)器人超聲波避障系統(tǒng)。介紹了SRF05新型高精度傳感器的工作原理、測(cè)距系統(tǒng)多路超聲波傳感器的軟硬件實(shí)現(xiàn)及機(jī)器人平臺(tái)的整個(gè)軟件工作流程。Linux系統(tǒng)超聲波驅(qū)動(dòng)模塊中采用的輪循工作方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在未知環(huán)境下的避障功能，機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行效果良好。
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(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距傳感器，以實(shí)現(xiàn)避障、定位和導(dǎo)航等功能。實(shí)驗(yàn)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(cè)距，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的導(dǎo)航避障。該傳感器的回波反饋與測(cè)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(shí)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(cè)距存在盲點(diǎn)的問題，節(jié)省了外圍紅外測(cè)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(huì)發(fā)出8個(gè)40 kHz的超頻脈沖，當(dāng)SRF05傳感器的ECHO引腳電平為高時(shí)，開啟定時(shí)器計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)；當(dāng)ECHO變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，表明機(jī)器人遇到障礙物，編程實(shí)現(xiàn)定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。高脈沖寬度與測(cè)距距離有正比關(guān)系，SRF05的測(cè)距有效范圍為1 cm～4 m，無障礙物或遇超大障礙物時(shí)，ECHO腳會(huì)變?yōu)榈碗娖?，此過程需要時(shí)間為30 ms，設(shè)置定時(shí)器的周期比超聲傳感器探測(cè)最大距離所需的渡越時(shí)間稍長(zhǎng)。因此，在測(cè)距時(shí)定時(shí)器周期設(shè)置應(yīng)至少大于30 ms才能有效測(cè)距。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
輪式移動(dòng)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(cè)和氣體檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)基于ARM9架構(gòu)的S3C2410微控制器與Linux系統(tǒng)平臺(tái)，使用Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序控制各個(gè)硬件模塊[1]。
2.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、避障，移動(dòng)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(gè)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(shí)工作時(shí)才不會(huì)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(shí)也滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)器周期，設(shè)置定時(shí)中斷及外部中斷。測(cè)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(shí)器并開始計(jì)時(shí)，在定時(shí)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(shí)器計(jì)數(shù)值，計(jì)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(shí)中斷中完成，并且開啟另一定時(shí)器完成計(jì)數(shù)功能[2]。系統(tǒng)測(cè)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(shí)器計(jì)時(shí)，則無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時(shí)器，因此采用軟件方式實(shí)現(xiàn)。設(shè)置2個(gè)時(shí)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(shí)器計(jì)時(shí)，這些在該組傳感器對(duì)應(yīng)的定時(shí)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(shí)器讀出計(jì)數(shù)值即為脈寬的時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)，然后根據(jù)距離公式=（ECHO 高電平的時(shí)間）×（聲納速度）/2得出距離。空氣中V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(shí)現(xiàn)
3.1 延遲函數(shù)實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)軟件延遲函數(shù)usdelay( )，代碼實(shí)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(shí)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(jì)msdelay( )函數(shù)用于衡量整個(gè)測(cè)距周期的時(shí)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(cè)時(shí)間，同時(shí)也不會(huì)對(duì)其他多路超聲波傳感器造成信號(hào)干擾。msdelay( )代碼實(shí)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(dòng)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(cè)實(shí)現(xiàn)
利用定時(shí)器計(jì)數(shù)器功能和外部中斷可以實(shí)現(xiàn)回波檢測(cè)計(jì)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(shí)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(shí)器的周期為60ms,在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)足以計(jì)算回波時(shí)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(jì)算
void __irq Eint1Handler(void) // eint1 中斷服務(wù)子程序
{
sonar_time_front =((10000- rTCNTO0) >> 1);//定時(shí)器的計(jì)數(shù)值除以2即為障礙物距離
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