關(guān)鍵詞: 機器人；ARM9；超聲波；導航；避障

     在機器人的導航系統(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，被廣泛用作移動機器人的測距傳感器，以實現(xiàn)避障、定位和導航等功能。實驗室機器人以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)對機器人的導航避障。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到1cm，因此使用該傳感器彌補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ECHO變?yōu)榈碗娖綍r，表明機器人遇到障礙物，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置應至少大于30 ms才能有效測距。
2 系統(tǒng)方案設計
2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
    輪式移動機器人核心控制系統(tǒng)由觸摸屏顯示、攝像頭圖像采集、超聲波避障、直流電機閉環(huán)控制、人感應傳感器、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器人行進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)導航、避障，移動機器人的前、后、左、右各安裝1路SRF05超聲波傳感器，使機器人能夠感知4個方位的障礙信息。另外，為了滿足系統(tǒng)擴展，可添加安裝多路SRF05超聲波傳感器，進一步增強機器人的導航避障性能。安裝超聲波傳感器之間角度應該大于它的波束角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)中斷只能設置一種觸發(fā)方式，如果設為上升沿觸發(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的定時器中斷中完成。并設置外部中斷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并設置為下降沿觸發(fā)。定時器的初始化如下：
    rTCFG0=0x9595;                                      //預分頻值為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 設置為 EINT1
    rINTMOD=0x0;                              //為普通中斷
    rGPFUP=0xf;                              //禁止 GPF0 上拉電阻
    pISR_EINT1=(unsigned)Eint1Handler;       //設置外部中斷
                                             //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