基于ARM9的嵌入式仿人機(jī)器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 傳感器技術(shù)是仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。仿人機(jī)器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中完成一定的作業(yè)功能，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，獲得反饋信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前在仿人機(jī)器人中應(yīng)用的傳感器種類繁多，例如視覺傳感器、電子羅盤、加速度計(jì)和超聲波傳感器等都是仿人機(jī)器人中常用的傳感器。
??? DF-1機(jī)器人是我院自主研制的一款仿人機(jī)器人。本文首先對(duì)DF-1機(jī)器人總系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，然后根據(jù)DF-1機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)DF-1機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)，然后實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路，利用ARM9實(shí)現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集，最后對(duì)傳感器系統(tǒng)的效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 DF-1仿人機(jī)器人簡介
??? DF-1機(jī)器人模仿人體外形結(jié)構(gòu)，利用舵機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人類關(guān)節(jié)的功能，如圖1所示。DF-1身長45 cm，共設(shè)有17個(gè)自由度，具體分配為：踝關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)2×1=2個(gè)自由度，胯關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度，肩關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)2×1=2個(gè)自由度，頭部1個(gè)自由度。DF-1機(jī)器人內(nèi)部采用ARM9微處理器，主要用來完成信息的融合、決策和規(guī)劃等任務(wù)。DF-1機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有步行、做俯臥撐、上樓梯、打太極拳，這些功能的實(shí)現(xiàn)是建立在：DF-1機(jī)器人具有良好機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，通過人工調(diào)試，設(shè)定具體程序完成的。為提高機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)DF-1機(jī)器人的智能控制，需要對(duì)機(jī)器人配置傳感器系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠感知自身狀態(tài)和外界環(huán)境。

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? DF-1機(jī)器人的胸腔部位安裝了三個(gè)超聲傳感器，分別用來測(cè)量機(jī)器人正前、左前和右前方向的障礙物。在該傳感器系統(tǒng)中，采用了ARM9微處理器作為信息的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和通信單元。由于超聲波傳感器存在多次反射問題，在超聲波相對(duì)應(yīng)的位置安裝了三個(gè)紅外測(cè)距傳感器用來解決這一問題。傳感器系統(tǒng)獲取的信息采用定長字節(jié)格式通過RS 232接口傳送給上位機(jī)。傳感器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 加速度計(jì)傳感器
??? 判定機(jī)器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器，由于陀螺成本較高，而DF-1機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)變化上較為緩慢，故本文采用了成本較低的加速度計(jì)來感知機(jī)器人的姿態(tài)。加速度計(jì)是物體運(yùn)動(dòng)測(cè)試中的重要元件，它的輸出與物體的加速度成比例。傳感器系統(tǒng)所采用加速度計(jì)的具體型號(hào)為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計(jì)ADXL202。ADXL202具有兩種輸出，一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號(hào)；另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調(diào)制后的DCM信號(hào)。在具體使用中，選用了加速度計(jì)的DCM信號(hào)輸出，這樣就可省去使用模擬信號(hào)需要引入的A／D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，簡化了電路設(shè)計(jì)難度。
2．2 超聲傳感器
??? 用來測(cè)距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測(cè)距儀等，為了能在測(cè)量距離的同時(shí)判斷出物體的大致形狀，應(yīng)設(shè)計(jì)成多傳感器測(cè)距系統(tǒng)。考慮到機(jī)器人的安裝空間以及成本問題，主要選用了超聲波傳感器進(jìn)行距離的測(cè)量。
??? 超聲波傳感器主要用來完成機(jī)器人到周圍障礙距離信息的測(cè)量，超聲波在測(cè)距過程中存在多次反射問題，即超聲波遇到障礙物體時(shí)，沒有沿著原路返回發(fā)射接收點(diǎn)，而是經(jīng)過多次反射后才返回發(fā)射接收點(diǎn)，這樣測(cè)量到的距離信息不再真實(shí)，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)“丟失”目標(biāo)。本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05。SFR05的體積小，信號(hào)穩(wěn)定，便于在機(jī)器人中安裝，而且SFR05的測(cè)量距離為1 cm～4 m，在最小測(cè)量距離上可認(rèn)為該傳感器不存在盲區(qū)。
2．3 紅外傳感器
??? 為了彌補(bǔ)超聲傳感器在測(cè)距中多次反射的問題，在超聲波相對(duì)應(yīng)的位置安裝了三個(gè)紅外測(cè)距傳感器。當(dāng)超聲波傳感器測(cè)量的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同方向上紅外傳感器測(cè)量的距離時(shí)，可以據(jù)此推斷出超聲波已經(jīng)進(jìn)行了多次反射，并用紅外傳感器測(cè)量的距離信息來取代超聲波傳感器的信息。本文使用的紅外傳感器為SHARP公司生產(chǎn)的GP2D12，可測(cè)距離為10～80 cm。GP2D12加上電源就可工作，輸出電壓為0．3～2.8 V。GP2D12傳感器在測(cè)量距離時(shí)受外界光強(qiáng)度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
??? 傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理單元采用ARM9微處理器，主要完成以下功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)的控制和加速度的測(cè)量，并根據(jù)加速度值，計(jì)算機(jī)器人的傾角；實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳感器的控制，完成距離信息的計(jì)算；實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外傳感器的控制，完成距離信息的獲取；對(duì)獲得的傾角、超聲波測(cè)距和紅外測(cè)距數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的通信協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)，程序主流程如圖3所示。

??? 程序首先要初始化，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇、管腳的分配、中斷優(yōu)先級(jí)、定時(shí)器時(shí)鐘和工作方式的選定等。在ARM9內(nèi)部資源中，具有PCA定時(shí)器單元和A／D單元，這些方便了對(duì)本傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。防止超聲波傳感器之間發(fā)生串?dāng)_，對(duì)超聲波傳感器采用輪流測(cè)量的方式。由于超聲波傳感器的工作周期為50 ms，當(dāng)工作時(shí)間少于50 ms時(shí)，超聲波傳感器會(huì)誤認(rèn)為下次測(cè)量發(fā)送超聲波產(chǎn)生的干擾為本次的回波，造成距離測(cè)量上的失真，而紅外傳感器建立電壓的時(shí)間只需要5 ms，所以在編程上，利用定時(shí)器0產(chǎn)生50 ms延遲，依次對(duì)3對(duì)超聲波傳感器和紅外傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于加速度傳感器和紅外、超聲傳感器之間是獨(dú)立的，而且數(shù)量只有一個(gè)，它的采集過程只依賴于PCA捕捉模塊捕捉到的時(shí)刻，所以加速度計(jì)信息的采集和預(yù)處理工作可貫穿于150 ms以內(nèi)。在完成對(duì)傳感器系統(tǒng)的信息采集和預(yù)處理后，還要將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，為上位機(jī)的決策提供必要的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4．1 加表實(shí)驗(yàn)
??? 由于當(dāng)機(jī)器人傾斜的時(shí)候，重力加速度會(huì)在加速度兩軸上產(chǎn)生分量，這時(shí)加速度值為Ax=gsin α和Ay=gsinβ。在加速度計(jì)水平放置的時(shí)候，Ax=gsin α，由于條件的限制，很難使加速度計(jì)達(dá)到絕對(duì)水平。在α=0附近，sin α變化幅度大，這樣會(huì)影響標(biāo)定效果，而在a=π／2附近，sin α變化幅度較小。為了得到較好的加速度計(jì)標(biāo)定效果，采用了豎直標(biāo)定的方法，即將PCB電路板用細(xì)線懸掛起來，分別得到g和-g時(shí)的值，通過計(jì)算就可得到加速度在0g時(shí)的值。由于ADXL202的輸出含有高斯白噪聲，應(yīng)用直接采來的數(shù)據(jù)會(huì)有較大的誤差，因而需要對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再加以應(yīng)用。
??? 通過平均值濾波可降低噪聲的影響，假設(shè)Xi為直接采集來的數(shù)據(jù)，Yi為平均值濾波后的數(shù)據(jù)，Yi=(∑xi)／n，由概率論知識(shí)可知，EYi=EXi，DYi=DXi／n。從中可看出平均值濾波的效果與平均點(diǎn)數(shù)n有關(guān)，n越大，濾波效果越好。考慮到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，可取n=15，即噪聲的方差變?yōu)樵瓉淼?／15。圖4是DF-1機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中獲取的傾斜角度值。其中L1表示了機(jī)器人的俯仰角度，L2表示了機(jī)器人的橫滾角度。

??? 由于DF-1仿人機(jī)器人體型較小，運(yùn)動(dòng)較為緩慢，在障礙距離測(cè)量上，能夠?qū)Ω? m以內(nèi)的障礙就可滿足應(yīng)用要求。在2 m以內(nèi)不同距離上放置平面障礙，利用超聲波和紅外傳感器測(cè)量這些距離信息，測(cè)得的距離與實(shí)際距離如表1所示。

??? 從表中可以看出，超聲波測(cè)量距離的誤差在2％以內(nèi)，紅外傳感器測(cè)量距離的誤差在4％以內(nèi)，可以滿足DF-1仿人機(jī)器人的應(yīng)用要求。

5 結(jié)語
??? 本文針對(duì)DF-1機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能，基于ARM9微處理器設(shè)計(jì)了傳感器系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，本傳感器系統(tǒng)基本可以滿足機(jī)器人的功能需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。具備傳感器系統(tǒng)的DF-1機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境和自身狀態(tài)有了一定的感知能力，為上位機(jī)進(jìn)行動(dòng)作決策提供可靠的依據(jù)，提高了機(jī)器人的智能性。