蒋海林等：基于ＡＲＭ９的嵌入式仿人机器人传感器系统设计 基于ＡＲＭ９的嵌入式仿人机器人传感器系统设计 蒋海林，贾 哲，张国良，张维平 （第二炮兵工程学院陕西西安７１００２５） 摘 要：依据ＤＦ一１仿人机器人需要实现的功能，利用超声波传感器与红外传感器各自的优点，设计了基于超声和红外 的ＡＲＭ９嵌入式仿人机器人传感器系统。该系统采用红外传感器补偿了超声波传感器的检测盲区，使移动机器人具有更大 的感测范围。试验验证了该传感器系统的有效性。 关键词：仿人机器人；传感器系统；嵌入式系统；超声波传感器；红外传感器 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—３７３Ｘ（２ＯＯ９）１７—０９２一Ｏ３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＤＦ——１ Ｈｕｍａｎｏｉｄ Ｒｏｂｏｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ９ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ ＪＩＡＮＧ Ｈａｉｌｉｎ，ＪＩＡ Ｚｈｅ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉｐｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ ａｎ，７１００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｔｈａｔ ＤＦ一１ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ Ｄｅｅｄｓ，ａ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＤＦ一１ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｎｏｎ—ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｂｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｅｎｌａｒｇｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ；ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ０ 引 言 度，肩关节２×２＝４个自由度，肘关节２×１—２个自由 度，头部１个自由度。ＤＦ—ｌ机器人内部采用ＡＲＭ９微 传感器技术是仿人机器人研究的关键技术之一。 处理器，主要用来完成信息的融合、决策和规划等任务。 ＤＦ一１机器人已经能够实现的功能有步行、做俯卧 撑、上楼梯、打太极拳，这些功能的实现是建立在ＤＦ一１ 机器人具有良好机械结构基础上的，通过人工调试，设 仿人机器人之所以能在已知或未知的环境中完成一定 的作业功能，是因为它能够通过传感器感知外部环境信 息和自身状态，获得反馈信息，实现系统的闭环控制。 目前在仿人机器人中应用的传感器种类繁多，例如视觉 传感器、电子罗盘、加速度计和超声波传感器等都是仿 人机器人中常用的传感器。 ＤＦ一１机器人是我院自主研制的一款仿人机器人。 本文首先对ＤＦ一１机器人总系统进行了介绍，然后根 据ＤＦ一１机器人需要实现的功能，设计ＤＦ一１机器人 定具体程序完成的。为提高机器人动作的稳定性，实现 ＤＦ—ｌ机器人的智能控制，需要对机器人配置传感器系 统，使机器人能够感知自身状态和外界环境Ｌ４］。 的传感器系统，然后实现传感器系统的具体工作电 路口 ］，利用ＡＲＭ９实现了传感器系统信息的采集 ］， 最后对传感器系统的效果进行了试验验证。 １ ＤＦ一１仿人机器人简介 ＤＦ一１机器人模仿人体外形结构，利用舵机结构实 现人类关节的功能，如图１所示。ＤＦ一１身长４５ ｃｉｎ，共 图１ ＤＦ一１机器人 设有ｌ７个自由度，具体分配为：踝关节２×２—４个自由 度，膝关节２×１—２个自由度，胯关节２×２—４个自由 ２传感器系统设计 ＤＦ一１机器人的胸腔部位安装了三个超声传感器， 收稿日期：２００９—０３一Ｏ５ 分别用来测量机器人正前、左前和右前方向的障碍物。 在该传感器系统中，采用了ＡＲＭ９微处理器作为信息 的采集、数据预处理和通信单元［５］。由于超声波传感器 存在多次反射问题，在超声波相对应的位置安装了三个 基金项目：陕西省科学技术研究发展计划（２００８Ｋ０４—１９）；陕西省 自然科学基础研究计划项目（ＳＪ０８ＺＴ０６７）；第二炮兵工 程学院创新性探索研究项目 ９２ 《现代电子技术）２００９年第１７期总第３０４期 红外测距传感器用来解决这一问题。传感器系统获取 的信息采用定长字节格式通过ＲＳ ２３２接口传送给上位 测试・测量・自动化司 多次反射，并用红外传感器测量的距离信息来取代超声 波传感器的信息。本文使用的红外传感器为ＳＨＡＲＰ 机。传感器系统的基本结构如图１所示。 图２ ＤＦ一１机器人传感器系统结构图 ２．１加速度计传感器 判定机器人姿态的传感器有陀螺仪和加速度计等 传感器嘲，由于陀螺成本较高，而ＤＦ—ｌ机器人在运动 变化上较为缓慢，故本文采用了成本较低的加速度计来 感知机器人的姿态。加速度计是物体运动测试中的重 要元件，它的输出与物体的加速度成比例。传感器系统 所采用加速度计的具体型号为ＡＤ公司生产的双轴加 速度计ＡＤＸＬ２０２。ＡＤＸＬ２０２具有两种输出，一种是从 Ｘ 几 和Ｙ胤 引脚输出模拟信号；另一种是直接从Ｘ。ＵＴ 和Ｙ。 引脚输出经调制后的ＤＣＭ信号。在具体使用 中，选用了加速度计的ＤＣＭ信号输出，这样就可省去 使用模拟信号需要引入的Ａ／Ｄ转换环节，简化了电路 设计难度。 ２．２超声传感器 用来测距的传感器主要有红外传感器、超声波传感 器、激光测距仪等，为了能在测量距离的同时判断出物 体的大致形状，应设计成多传感器测距系统。考虑到机 器人的安装空间以及成本问题，主要选用了超声波传感 器进行距离的测量【７］。 超声波传感器主要用来完成机器人到周围障碍距 离信息的测量，超声波在测距过程中存在多次反射问 题，即超声波遇到障碍物体时，没有沿着原路返回发射 接收点，而是经过多次反射后才返回发射接收点，这样 测量到的距离信息不再真实，情况严重时会“丢失”目 标。本文选用ＤＥＶＡＮＴＥＣＨ公司生产的ＳＦＲＯ５。 ＳＦＲ０５的体积小，信号稳定，便于在机器人中安装，而 且ＳＦＲ０５的测量距离为１ ｃｍ～４ ｍ，在最小测量距离 上可认为该传感器不存在盲区。 ２．３红外传感器 为了弥补超声传感器在测距中多次反射的问题［８］， 在超声波相对应的位置安装了三个红外测距传感器。 当超声波传感器测量的距离远远大于同方向上红外传 感器测量的距离时，可以据此推断出超声波已经进行了 公司生产的ＧＰ２Ｄ１２，可测距离为１０－－－８０ ｃｍ。ＧＰ２Ｄｌ２ 加上电源就可工作，输出电压为０．３～２ ８ Ｖ。ＧＰ２Ｄ１２ 传感器在测量距离时受外界光强度、物体外表反射率及 物体颜色的影响较小。 ３软件实现 传感器系统数据采集与处理单元采用ＡＲＭ９微处 理器，主要完成以下功能：实现对加速度计的控制和加 速度的测量，并根据加速度值，计算机器人的倾角；实现 对超声波传感器的控制，完成距离信息的计算；实现对 红外传感器的控制，完成距离信息的获取；对获得的倾 角、超声波测距和红外测距数据，按照规定的通信协议 发送给上位机，程序主流程如图３所示。 图３程序主流程图 程序首先要初始化，主要包括系统时钟的选择、管 脚的分配、中断优先级、定时器时钟和工作方式的选定 等［９］。在ＡＲＭ９内部资源中，具有ＰＣＡ定时器单元和 Ａ／Ｄ单元，这些方便了对本传感器系统的数据采集。 防止超声波传感器之间发生串扰，对超声波传感器采用 轮流测量的方式。由于超声波传感器的工作周期为 ５０ ｍｓ，当工作时间少于５０ ｍｓ时，超声波传感器会误认 为下次测量发送超声波产生的干扰为本次的回波，造成 距离测量上的失真，而红外传感器建立电压的时间只需 要５ ｒｎｓ，所以在编程上，利用定时器０产生５０ ｍｓ延迟， 依次对３对超声波传感器和红外传感器进行数据采集。 由于加速度传感器和红外、超声传感器之间是的， ９３ 蒋海林等：基于ＡＲＭ９的嵌入式仿人机器人传感器系统设计 而且数量只有一个，它的采集过程只依赖于ＰＣＡ捕捉 模块捕捉到的时刻，所以加速度计信息的采集和预处理 表１超声和红外测试结果 工作可贯穿于１５０ ｍｓ以内。 在完成对传感器系统的信息采集和预处理后，还要 将获取的数据发送给上位机，为上位机的决策提供必要 的数据。 ４实验验证 ４．１加表实验 由于当机器人倾斜的时候，重力加速度会在加速度 两轴上产生分量，这时加速度值为Ａ 一ｇｓｉｎ ｎ和Ａ 一 ｇｓｉｎ 。在加速度计水平放置的时候，Ａ ：ｇｓｉｎ ａ，由于 从表中可以看出，超声波测量距离的误差在２ ９／６以 内，红外传感器测量距离的误差在４ 以内，可以满足 ＤＦ一１仿人机器人的应用要求。 ５ 结 语 条件的，很难使加速度计达到绝对水平。在ａ一０附 近，ｓｉｎ ａ变化幅度大，这样会影响标定效果，而在ａ一 ７ｃ／２附近，ｓｉｎ Ｏｔ变化幅度较小。为了得到较好的加速度 计标定效果，采用了竖直标定的方法，即将ＰＣＢ电路板 用细线悬挂起来，分别得到ｇ和一ｇ时的值，通过计算 就可得到加速度在０ｇ时的值。由于ＡＤＸＬ２０２的输出 含有高斯自噪声，应用直接采来的数据会有较大的误 差，因而需要对采集来的数据进行处理后再加以应用。 通过平均值滤波可降低噪声的影响，假设ｘ 为直 本文针对ＤＦ一１机器人要实现的功能，基于 ＡＲＭ９微处理器设计了传感器系统。试验结果证明， 本传感器系统基本可以满足机器人的功能需求，具有一 定的应用价值。具备传感器系统的ＤＦ一１机器人对外 界环境和自身状态有了一定的感知能力，为上位机进行 动作决策提供可靠的依据，提高了机器人的智能性。 参考文献 接采集来的数据，ｙ 为平均值滤波后的数据，Ｙ 一 （＞：Ｘ ）／ｎ，由概率论知识可知， 一ＥＸ ，ＤＹ 一 ＤＸ ／ 。从中可看出平均值滤波的效果与平均点数，ｚ有 关， 越大，滤波效果越好。考虑到机器人的运动情况， 可取 一１５，即噪声的方差变为原来的１／１５。图４是ＤＦ ［１］何希才．常用传感器应用电路的设计与实践［Ｍ］．北京：科 学出版社，２００７． １机器人在运动过程中获取的倾斜角度值。其中Ｌ 表 Ｅ２３王化祥，张淑英．传感器原理及应用Ｉ－Ｍ］．天津：天津大学出 版社，２００４． 示了机器人的俯仰角度，Ｌ 表示了机器人的横滚角度。 Ｅ３］徐英慧，马忠梅，王磊，等．ＡＲＭ９嵌人式系统设计——基于 ￥３Ｃ２４１０与Ｌｉｎｕｘ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版 社，２００７． ［４］刘玉鹏．多传感器系统设计及其在机器人定位中的应用 ＥＤ３．长沙：国防科学技术大学，２００５． ［５］纪良文．机器人超声测距数据的采集与处理Ｉ－Ｊ］．工业控制 计算机，２００１（４）：２０—２３． Ｅ６］嵇正华，成良兵，张仁杰，等．数字式ＭＥＭＳ加速度传感器在 倾角测量的应用［Ｊ］．微计算机信息，２００６，２２（６）：１９６—１９７． 图４机器人运动过程中倾斜角度 Ｅ７］孙骁苗，周东辉，栗欣，等．移动机器人的多传感器测距系统 设计［Ｊ］．传感器与微系统，２００６，２５（２）：５０—５２． ４．２超声和红外实验 ［８］李剑锋，原魁，邹伟．自主机器人非视觉传感器数据采集系 统的研制ＥＪ３．传感器与微系统，２００６，２５（８）：５５—５８． 由于ＤＦ一１仿人机器人体型较小，运动较为缓慢， 在障碍距离测量上，能够对付２ ｍ以内的障碍就可满 足应用要求［１。。。在２ ｍ以内不同距离上放置平面障 －［９１周华，朱均，徐华．数字式ＭＥＭｓ加速度传感器ＡＤＸＬ２０２ 及应用［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００３（８）：２７—２８． 碍，利用超声波和红外传感器测量这些距离信息，测得 的距离与实际距离如表１所示。 Ｅｌｏ３谭定忠，王启明，王叶兰，等．机器人测距传感器的研究 ＥＪ７．机械与电子，２００５（１２）：５２—５４． 作者简介 蒋海林 男，１９８３年出生，湖南东安人，硕士研究生。研究方向为机器人运动控制系统。 ９４
