基于超声波传感器的双足步行机器人避障系统设计

杨 亭 周 健 陈文辉 李丽珠 李辉辉

（1.广东开放大学（广东理工职业学院），广州 510091；2.广州市从化区职业技术学校，广州 510920；3.广西水利电力职业技术学院，南宁 530000）

具有多自由度的双足步行机器人可模仿人类的步行运动[1-2]。配置合适的传感器，并构建科学合理的控制系统，能够让双足步行机器人顺利完成各种复杂的高难度动作，使其广泛应用于工业、农业、医疗护理康复等领域[3]。避障控制系统可使双足步行机器人更加安全、高效地完成工作任务[4]。常见的避障传感器包括超声波传感器、红外感应器、激光测距仪及视觉传感器等[5-7]。其中，超声波传感器具有灵敏度和精确度高、不易受光线影响和电磁干扰、使用简单和性价比高等优点[8]，被广泛应用于避障导航领域[9]。例如，查懿伦[10]设计的老年人代步车智能管理系统，采用超声波传感器探测障碍物，当代步车遇到障碍物时能够自主减速或停车。超声波传感器为老年人代步车自动巡航功能的实现提供保障，因此使用超声波传感器作为双足步行机器人的避障传感器。超声波传感器探测到的障碍物信息能为机器人执行动作提供依据，而机器人执行动作也会影响超声波传感器探测的障碍物距离。控制系统的输入端为超声波传感器，输出端为双足步行机器人，它们之间相互影响，形成一个闭环控制系统。

1 系统设计

双足步行机器人平台是一个开环控制装置，其左足和右足各装配3 个舵机。这6 个舵机分别安装在机器人双足的髋、膝、踝关节处，通过转动舵机实现机器人的前进、后退、转向、加速、减速等功能[11]，是一个开环控制装置，如图1 所示。为形成闭环控制系统，配置1 块Arduino MEGA 2560 开发板、1 个HC-SR04超声波传感器、1 个DS3115 舵机及3 个3.7 V 锂电池。其中，Arduino MEGA 2560 开发板作为主控制器，一方面读取超声波传感器的测距数据，另一方面控制舵机的转动。HC-SR04 超声波传感器用于探测障碍物距离，可探测前方2 ～400 cm 的障碍物，在与地面平行的平面上，其探测角度可达15°。DS3115 舵机可转动180°，作为固定超声波传感器用的云台，安装在机器人最顶部[12]。舵机0°、90°、180°位置分别对应机器人的正左、正前、正右3 个方向，这样可使超声波传感器对准3 个方向进行探测[13]。锂电池为总电源，采用4 组LM2596 可调稳压电路为各用电器提供合适电压[14]。

图1 双足步行机器人平台

2 控制方法设计

主控制器先使用超声波传感器探测障碍物信息，再决定双足步行机器人执行何种动作，程序运行过程如图2 所示。

图2 程序运行框图

为提高机器人工作效率，采用如下步行速度控制方法：当障碍物距离大于200 cm 时，定义前方安全，机器人可以高速步行；当障碍物距离为100 ～200 cm时，定义距离障碍物较近，机器人中速步行；当障碍物距离为50 ～100 cm 时，定义前方可能存在危险，机器人低速步行；当障碍物距离小于50 cm 时，定义机器人身处危险境地，必须停止步行并进行避障[15]。

机器人避障方法如下：首先，转动超声波传感器云台，分别探测机器人正左、正右2 个方向的障碍物距离；其次，主控器命令机器人原地转向，朝着障碍物距离较远的一侧步行；最后，超声波传感器云台归位，机器人执行前进动作。

需要注意的是，一方面，为防止超声波传感器误判，或遇到一闪而过的移动障碍物，在超声波传感器探测到障碍物距离小于50 cm 时，主控器并不是立即命令机器人执行避障动作，而是让机器人停止2 s 后，命令超声波传感器再次探测障碍物距离。如果障碍物距离大于50 cm，则机器人继续前进，无须执行避障动作；如果超声波传感器探测到障碍物距离仍然小于50 cm，则认为前方确实存在固定不动的障碍物，机器人需要执行避障动作。另一方面，如果机器人的正左、正前、正右3 个方向的障碍物距离同时小于50 cm，则主控器认为机器人已经进入窄小的死胡同。此时，机器人将保持原地不动，而超声波传感器将不断探测正左、正前、正右3 个方向的障碍物，直到有1 个方向的障碍物距离不再小于50 cm，机器人才继续运动。

3 避障实验

3.1 实验方法

选择7 m×9 m 的学校教室作为实验场地，将教室中央、墙角等位置作为机器人的始发地。为获取机器人的实际运动轨迹，给机器人其中一个大脚板外侧边缘任意位置做上标记。机器人每走1 步，就用粉笔在该标记处正下方的地板上画1 个点，最后将所有的点连起来，视为机器人实际运动轨迹。为进一步研究机器人避障性能，使用桌椅设置口字形、凹字形、Z 字形等多种障碍物类型，检验机器人能否避障成功。

3.2 实验结果分析

图3 为机器人的避障轨迹，圆点为机器人的始发地，箭头所指的方向为机器人的步行方向。实验结果表明，机器人避障性能良好，在口字形、凹字形、Z 字形等障碍物场地，均能有效避障，平稳运行，而且能够根据障碍物的远近及时调整步行速度。

图3 机器人避障轨迹

避障实验获得成功的关键点如下。第一，支撑超声波传感器的舵机旋转云台，使得仅使用1 个超声波传感器，就能有效探测机器人前方和左、右两侧的障碍物信息。无须在机器人两侧安装超声波传感器，能够简化软件编程、减轻主控制器的负荷，还可以节省成本。第二，超声波传感器安装方向与机器人的前进方向一致[16]。第三，机器人未垂直进入凹型死胡同，得益于超声波传感器具有15°的探测角，能够形成以超声波传感器为中心的发射状探测区域，有效增大探测障碍物的范围。

4 结语

本研究主要将机器人从开环控制系统升级为闭环控制系统。双足步行机器人在没有配置传感器的情况下是一个开环控制系统，相当于一个只具备运动能力，而无感觉器官的动物。在机器人上配置超声波传感器，使其通过感知周围环境，有效避开各种类型的障碍物。要想将双足步行机器人应用到实际生产中，还需要进行进一步升级改善，提高其智能化水平。