基于ARM9的嵌入式仿人机器人传感器系统设计
| 传感器技术是仿人机器人研究的关键技术之一。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、加速度计和传感器等都是仿人机器人中常用的传感器。 DF-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-1机器人总系统进行了介绍，然后根据DF-1机器人需要实现的功能，设计DF-1机器人的传感器系统，然后实现传感器系统的具体工作电路，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-1仿人机器人简介 DF-1机器人模仿外形结构，利用舵机结构实现人类关节的功能，如图1所示。DF-1身长45 cm，共设有17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-1机器人内部采用ARM9微处理器，主要用来完成信息的融合、决策和规划等任务。DF-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-1机器人具有良好机械结构基础上的，通过人工调试，设定具体程序完成的。为提高机器人动作的稳定性，实现DF-1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。  2 传感器系统设计 DF-1机器人的胸腔部位安装了三个超声传感器，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。由于传感器存在多次反射问题，在相对应的位置安装了三个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接口传送给上位机。传感器系统的基本结构如图1所示。 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，由于陀螺成本较高，而DF-1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XFILT和YFILT引脚输出模拟信号；另一种是直接从XOUT和YOUT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、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，主要选用了传感器进行距离的测量。 传感器主要用来完成机器人到周围障碍距离信息的测量，在测距过程中存在多次反射问题，即遇到障碍物体时，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SFR05。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，在相对应的位置安装了三个红外测距传感器。当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，可以据此推断出已经进行了多次反射，并用红外传感器测量的距离信息来取代传感器的信息。本文使用的红外传感器为SHARP公司生产的GP2D12，可测距离为10～80 cm。GP2D12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、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。  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。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。防止传感器之间发生串扰，对传感器采用轮流测量的方式。由于传感器的工作周期为50 ms，当工作时间少于50 ms时，传感器会误认为下次测量发送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 ms，所以在编程上，利用定时器0产生50 ms延迟，依次对3对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、超声传感器之间是独立的，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Ax=gsin α和Ay=gsinβ。在加速度计水平放置的时候，Ax=gsin α，由于条件的限制，很难使加速度计达到绝对水平。在α=0附近，sin α变化幅度大，这样会影响标定效果，而在a=π／2附近，sin α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-g时的值，通过计算就可得到加速度在0g时的值。由于ADXL202的输出含有高斯白噪声，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Xi为直接采集来的数据，Yi为平均值滤波后的数据，Yi=(∑xi)／n，由概率论知识可知，EYi=EXi，DYi=DXi／n。从中可看出平均值滤波的效果与平均点数n有关，n越大，滤波效果越好。考虑到机器人的运动情况，可取n=15，即噪声的方差变为原来的1／15。图4是DF-1机器人在运动过程中获取的倾斜角度值。其中L1表示了机器人的俯仰角度，L2表示了机器人的横滚角度。  由于DF-1仿人机器型较小，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。在2 m以内不同距离上放置平面障碍，利用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。  从表中可以看出，测量距离的误差在2％以内，红外传感器测量距离的误差在4％以内，可以满足DF-1仿人机器人的应用要求。 5 结语 本文针对DF-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-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。
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