基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能機器人設(shè)計

本系統(tǒng)所設(shè)計的機器人的主要任務(wù)是在未知環(huán)境下依靠多傳感器信息，運用D-S數(shù)據(jù)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。

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（<0.95mW），可利用三個M4螺旋裝配。超聲傳感器選用的是中國大恒公司生產(chǎn)的946系列超聲測距傳感器。946系列采用超聲波原理，具有非接觸測量距離、易于目標瞄準、測量精度高、重復(fù)精度高、抗干擾、高可靠等特點，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場使用。測量范圍0-6000mm，線性精度0.1%，聲波發(fā)射角5°，響應(yīng)時間500ms，工作電源10V。 紅外傳感器選用的是紅外發(fā)光管TLN205和紅外接收管TPS708。紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收管接收，產(chǎn)生一個與光強相對應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩極放大電路放大后，輸出一個0-3V的模擬電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機。機器人使用的光敏傳感器為硫化鎘光電管（CDS）。CDS的電阻值對較少的光線就能產(chǎn)生較大的變化，是機器人系統(tǒng)較為常用的一種光敏傳感器。光電編碼器選用的是E68S15旋轉(zhuǎn)編碼器。該編碼器分辨率為1024P/R，電源電壓DC5V 5%，紋波P-P：5%以下，最大響應(yīng)頻率100kHz。

 [!--empirenews.page--]

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）提出一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能機器人系統(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。