多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能機器人設(shè)計
本控制系統(tǒng)采用主從式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用了激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、光電編碼器等多種類型的傳感器,它們之間相互組合,實現(xiàn)機器人小車的測距、避障、尋找目標等功能。
1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)與D-S方法
多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)結(jié)合了控制理論、信號處理、人工智能、概率和統(tǒng)計的發(fā)展,協(xié)同運用多傳感器的傳感數(shù)據(jù),提取所探測環(huán)境的近可能多的有用信息,消除信息的不確定性,提高傳感器的可靠性。
多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)有許多優(yōu)點:增加了測量的維數(shù)和置信度;改進了探測性能;擴展了空間和時間的覆蓋范圍;改進了系統(tǒng)的可靠性和可維護性;系統(tǒng)容錯性好,運行魯棒性強;系統(tǒng)內(nèi)資源共享,可提高資源的利用率。
D-S證據(jù)理論是Dempster于1967年提出,后由Shafer加以擴充和發(fā)展而形成的一種信息融合方法。D-S證據(jù)理論可處理由不知道所引起的不確定性。
D-S方法的推理結(jié)構(gòu)分為三級。
第一級是合成。它把來自幾個獨立傳感器的報告合成為一個總的輸入。
第二級是推斷,由它獲取傳感器報告并進行推斷,將傳感器報告擴展成目標報告。
第三級是更新,因各種傳感器一般都有隨機誤差,所以在進行推斷和傳感器合成之前要先更新傳感器級的信息。
2 傳感器的選用
本系統(tǒng)所設(shè)計的智能機器人具有測距、自動避障、自動尋找以一發(fā)光源為目標的物體的功能。每一個功能均選用幾種不同類型的傳感器進行測量,再應(yīng)用D-S融合算法把這些數(shù)據(jù)進行融合,最后得到我們需要的更加全面、準確、可靠的反映環(huán)境特征的信息,指導(dǎo)機器人的運行。
本系統(tǒng)具體傳感器的選用如下:
1) 測距傳感器
測距傳感器選用了三種類型的傳感器:激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器。
2) 避障傳感器
避障傳感器選用了三種類型的傳感器:激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器。
3) 尋找目標傳感器
尋找目標傳感器選用了兩種類型的傳感器:紅外傳感器和光敏傳感器。
4) 光電編碼器
用光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速。
激光傳感器選用的是DLS-A
激光測距傳感器。該設(shè)備擁有許多卓越的性能:測程0.2-200m,串行接口(RS232或RS422),單根RS422線可連接多達10個模塊,范圍寬廣的供電電壓(9-30V),可編程模擬輸出,兩個可編程數(shù)字輸出端,數(shù)字輸出錯誤信號,4個發(fā)光二極管用于顯示狀態(tài)信號,D型接口和螺旋接線端便于連接,望遠鏡適配器使得安裝非常簡便,堅固的鋁金屬外殼,IP65(防止灰塵和水汽浸入),完整的軟件配置,二等激光。
3 硬件結(jié)構(gòu)
為減輕主控器的負擔(dān),系統(tǒng)采用主從式控制系統(tǒng)。分別用三個MCS-96單片機處理來自測距傳感器、超聲傳感器、尋找目標傳感器的數(shù)據(jù),并進行數(shù)據(jù)融合;最后把處理好的數(shù)據(jù)通過RS-232串口上傳至上位機PC/104 386SX系統(tǒng)。由PC/104主機做出下一步的處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
PC/104主機主要用來完成對三個下位機所處理的數(shù)據(jù)進行采集,然后根據(jù)情況調(diào)整小車前向電機、轉(zhuǎn)向電機的運動,并將光電編碼器測量到的小車速度等信息顯示在液晶屏幕上,如果發(fā)生碰撞現(xiàn)象,還可用語音進行報警等操作。上位機選用PC/104主機是因為:第一,386系統(tǒng)處理速度比單片機要迅速;第二,為了便于以后系統(tǒng)的擴展。
為避免其它不可預(yù)知的故障出現(xiàn),使機器不能正常運行,系統(tǒng)還設(shè)置了一個硬復(fù)位按鈕。
4 軟件設(shè)計
各個下位機的軟件設(shè)計流程是先檢測各類傳感器的數(shù)據(jù),再用D-S法進行數(shù)據(jù)融合,最后等待主機的指令,把融合后的數(shù)據(jù)上傳至主機。
主機的軟件設(shè)計流程是通過串口循環(huán)接收來自三個不同下位機的數(shù)據(jù)(三個下位機的通訊握手地址不同)。根據(jù)尋找目標傳感器所測到的目標位置,進行路徑規(guī)劃,調(diào)整前向電機與轉(zhuǎn)向電機的運動方向。再根據(jù)測距傳感器所測到的目標距離,調(diào)整電機的運動速度。當(dāng)避障傳感器發(fā)現(xiàn)前方有障礙物或小車與障礙物發(fā)生碰撞時,要立即停止運行,重新規(guī)劃路徑。讀取光電編碼器的值,把小車速度顯示在液晶顯示器上。如果出現(xiàn)小車與障礙物發(fā)生碰撞或找不到目標光源物體時要通過語音芯片進行報警。
主機和下位機程序內(nèi)部均設(shè)有看門狗程序,避免程序跑飛。
5 總結(jié)
本系統(tǒng)設(shè)計了一個基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能機器人。該設(shè)計運用了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù),采用了主從式控制系統(tǒng),使機器人能夠更準確的尋找目標與避障,有很好的魯棒性。
本文作者創(chuàng)新點:(1)提出一種多傳感器數(shù)據(jù)融合在智能機器人系統(tǒng)設(shè)計,軟硬件工作可靠。(2)用到D-S融合算法,提供與環(huán)境有關(guān)的關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的足夠的與可靠的信息,使機器人能夠自主規(guī)劃路徑、躲避障礙物,最終向目標靠近。(3)系統(tǒng)采用了主從式控制系統(tǒng),有很好的擴展性。(4)良好的抗干擾能力。
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