基于超聲波測距的定制家具AGV避障系統(tǒng)設(shè)計

李 博 孫莉辰 徐 賀 牛曉霆*

（1.東北林業(yè)大學(xué)家居與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

板式定制家具因其能滿足個性化定制、材料環(huán)保、造型時尚等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為備受人們青睞的家居用品[1-2]。在定制家具行業(yè)，由于材質(zhì)表面光潔度高，其運(yùn)送和分揀是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前，大多數(shù)企業(yè)和生產(chǎn)線采用人工操作，需要投入大量的人力物力，不僅勞動強(qiáng)度大、工作效率低、安全性能差，同時工人在搬運(yùn)過程中還容易出現(xiàn)磨損和碰撞，降低產(chǎn)品的表面美觀度[3-4]。因此，在最大限度地增強(qiáng)家具運(yùn)送工序智能化水平的同時，提高智能運(yùn)送車避障的準(zhǔn)確性，是當(dāng)前亟需解決的難題[5-9]。同時，實現(xiàn)高效的家具分揀運(yùn)送也是目前研究的熱點(diǎn)[10]?；诖?，本文針對定制家具AGV（自動導(dǎo)引運(yùn)輸車）的避障系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以期實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的定點(diǎn)停止，避免障礙物影響作業(yè)的流暢性和對板材的損害，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

國內(nèi)外研究者對AGV的避障技術(shù)做了很多研究，并把避障技術(shù)應(yīng)用在不同領(lǐng)域的AGV上。美國某公司研發(fā)的AGV可獨(dú)立搬運(yùn)，適合現(xiàn)代工廠貨物搬運(yùn)[11]。日本某公司設(shè)計的AGV可攜帶輪椅及行人物品，并能迅速、獨(dú)立規(guī)劃行走路線并避開行人[12-15]。法國某公司的AGV裝備了自動避障系統(tǒng)，以保證運(yùn)輸過程中避免與行人及物品發(fā)生碰撞[16]。德國某公司研發(fā)了一款在油漆車間運(yùn)行的自動引導(dǎo)車，能夠準(zhǔn)確進(jìn)入各個工作站完成貨物的運(yùn)輸[17]。日本的一家機(jī)械公司裝有安全掃描設(shè)備以檢測障礙物，可以實現(xiàn)多個搬運(yùn)設(shè)備同時運(yùn)行[18]。我國的AGV技術(shù)發(fā)展較晚，且距離實際工程應(yīng)用還有一定的距離[19-21]。我國一家機(jī)器人公司自主研發(fā)激光自主導(dǎo)航技術(shù)以實現(xiàn)避障，能夠幫助企業(yè)實現(xiàn)柔性化AGV智能物流系統(tǒng)的建設(shè)和改造[22-24]。本研究的目標(biāo)是實現(xiàn)定制家具AGV避障系統(tǒng)在搬運(yùn)家具時的精準(zhǔn)高效避障。因此需要對檢測運(yùn)行路線上出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行分類，使其依據(jù)不同障礙物類型采用不同的避障方法。

1 基于超聲波測距原理的AGV避障系統(tǒng)設(shè)計

1.1 超聲波測距原理

超聲波具有高頻率、指向性好以及在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中能量損耗低等特點(diǎn)，能夠?qū)^寬范圍的距離進(jìn)行精準(zhǔn)測量。目前應(yīng)用最廣泛的是壓電換能器，利用單個壓電芯片完成超聲波的發(fā)射與接收。超聲波粒子位移函數(shù)為：

式中：L(t)為位移，m；A0為初始振幅，m；ω為循環(huán)頻率，rad/s；t為傳播時間，s；l為傳播距離，m；α為阻尼系數(shù)；k為波數(shù)；Ae為傳播面積，m2；f為振動頻率，Hz。

從式（1）與（2）可以看出，超聲波振動頻率越大、衰減系數(shù)越大、信號越弱，其能量越大。高頻超聲波信號在能量、散射距離、反射率等方面低頻信號更具優(yōu)勢。根據(jù)這些特性，能夠得到被測距離。圖1（a）為渡越時間檢測方法原理圖。其距離和聲速之間的函數(shù)關(guān)系如公式(3)～(5)所示。

圖1 測距原理圖與碰撞示意圖Fig.1 Principle for distance measurement and diagram of collision

式中：v為常溫下的聲速，m/s；l為超聲波傳播行程，m；t為超聲波傳播所需時間，s；θ為發(fā)射器發(fā)射超聲波的入射角，°；b為障礙物與傳感器之間的垂直距離，m；a為障礙物到發(fā)射器和接收器中點(diǎn)的距離值，m。

1.2 測距偏差分析

首先，研究超聲發(fā)射器入射角對測量結(jié)果造成的影響，這有助于選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器與探頭及最佳入射角度。圖1（b）為超聲發(fā)射器和障礙物以及超聲波碰撞示意圖。在功率確定的情況下，發(fā)射器散射角越小，能量越集中，工作距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。因此選用散射角小的發(fā)射器，以及采集信號強(qiáng)的回聲探測器。為保證測量不受超聲波距離的影響，從而導(dǎo)致障礙物檢測失敗，應(yīng)保證兩障礙物處在同一平面內(nèi)。

考慮到環(huán)境溫度會對超聲波速度造成影響，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。超聲波速度與空氣溫度的關(guān)系如下：

式中：v為聲速，m/s；T為室溫，℃。

由式（7）可看出，在室溫的影響下，超聲波的傳播速度在不同介質(zhì)中并不相同，不進(jìn)行溫度補(bǔ)償會導(dǎo)致測距過程中產(chǎn)生較大誤差。

最后，通過分析利用渡越時間檢測方法測距過程中產(chǎn)生的誤差可知，回波信號中夾雜著環(huán)境噪聲，因此確定回聲信號的起始點(diǎn)至關(guān)重要。研究者多采用濾波法、頻譜分離法和反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對耦合噪聲信號進(jìn)行處理。這些方法只能在時域上分析單個信號[25-27]。研究采用的采樣信號是40 kHz的高頻超聲信號，耦合噪聲變化很大。為解決該問題，研究提出了基于波形閾值的算法解決方案。采用時域與頻域相結(jié)合的信號處理方法同時檢測并分離出兩種不同頻率超聲回波數(shù)據(jù)，從而有效提高了接收信號的信噪比，使得回聲消除更可靠、更精確。

1.3 超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)設(shè)計

在超聲觸發(fā)電路中，激勵電路開關(guān)需要較高的直流電壓才能觸發(fā)較窄脈沖，無法滿足AGV系統(tǒng)的性能要求。脈沖模塊中電路主要包括兩大部分，即作為高級序列擺動的振蕩器和作為超聲波發(fā)生器的換能器。振蕩器的回路基于共振原理進(jìn)行控制，從而輸出最佳頻率的超聲信號。圖2 （a）為單脈沖觸發(fā)電路圖。

圖2 超聲波單脈沖觸發(fā)電路及回波信號接收電路Fig.2 Ultrasonic single pulse trigger circuit and receiving circuit of echo signal

圖2 （b）為接收回波信號的電路圖，該電路使用超聲波專用芯片TL852，電路工作頻率為20～90 kHz，與40 kHz超聲波信號相對應(yīng)，兼顧放大、濾波、回波生成等作用。超聲波檢測靈敏度與其輸出阻抗有密切的關(guān)系，輸出阻抗越高，頻率響應(yīng)越傾向于諧振，進(jìn)而使得靈敏度大幅提高。隨著外部阻抗的降低，頻率響應(yīng)曲線逐漸變緩，頻率響應(yīng)帶變寬，靈敏度下降，甚至?xí)?dǎo)致傳感器最大靈敏度逐漸向低頻偏移。因此，采用高阻抗前置放大器來提高接收器靈敏度。

2 基于超聲波測距的避障策略程序設(shè)計

超聲波的定位模塊如圖3所示，其工作原理是數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出電壓，由接線盒將信號傳輸至發(fā)波調(diào)理電路。通過超聲波換能器發(fā)出信號，當(dāng)碰到障礙物時信號返回，被下一個超聲波換能器所接收，傳輸至收波調(diào)理電路中將信號放大，最終由接線盒返回到數(shù)據(jù)采集卡中。如此循環(huán)，便能實現(xiàn)精確的超聲波定位信號傳遞。

圖3 超聲波定位模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of ultrasonic positioning module

圖4為超聲測距的避障信息處理流程圖。當(dāng)距離小于閾值時，AGV則停止運(yùn)動，系統(tǒng)發(fā)出警告信號，LCD屏幕顯示實時距離。采用閾值小波濾波對超聲波信號進(jìn)行處理，可以降低環(huán)境噪聲的干擾，從而使輸出信號具有較好的分辨率。中值濾波算法剔除測量距離最高值與最低值后，其余數(shù)值以取平均值形式呈現(xiàn)，此方案有效消除了隨機(jī)誤差并且提高距離精度。通過3個步驟利用DSP實現(xiàn)小波閾值去噪，分別為信號的詳細(xì)分解、量化具體閾值、重構(gòu)量化波前閾值。將計算得到的小波系數(shù)量化并在小波重構(gòu)單元中重構(gòu)，最終實現(xiàn)信號降噪建模。

圖4 基于超聲測距的避障信息處理流程Fig.4 Obstacle avoidance information processing process based on ultrasonic ranging

小波重建過程是小波分解過程的逆過程，重建后得到去除噪聲的回波信號。閾值選取方法為:

式中：λ為小波閾值，dB；σ為信號噪聲強(qiáng)度，dB；N為選取的信號長度；j為小波分解尺度。

可見，閾值與分解尺度呈反比。受噪聲模型分布特性影響，分解尺度越大，小波分解閾值越低?；夭ㄐ盘栍布托〔ㄩ撝等ピ胩幚砗蠡夭ㄐ盘栍布姆抡鎴D如圖5～6所示。顯然，去噪處理后的回波信號起始位置的清晰度得到了提高，這使得DSP更容易檢測到回波信號，有效提高了檢測精度。

圖5 回波信號仿真圖Fig.5 Echo signal simulation diagram

圖6 小波閾值去噪后回波信號仿真圖Fig.6 Simulation diagram of echo signal after wavelet threshold denoising

3 AGV控制系統(tǒng)超聲測距避障模塊的性能測試

在工廠倉庫內(nèi)進(jìn)行定制家具搬運(yùn)避障試驗。傳統(tǒng)的濾波方法為傅里葉變換法，無法對非穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行處理，小波閾值變換算法能夠從時域與頻域上對信號進(jìn)行局部特征分析。在常溫下選取8個間距不等的測試點(diǎn)進(jìn)行試驗，小波閾值變換濾波算法在環(huán)境溫度為20 ℃時的試驗結(jié)果如表1所示。小波閾值算法與中值算法相比(表2)，距離測量精度明顯提高，測量數(shù)據(jù)相對誤差降低。圖7為不同溫度下測量距離與測量誤差之間的對應(yīng)關(guān)系。由此可見，加入溫度補(bǔ)償后，典型溫度下的測量精度很高，相位誤差較低，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。系統(tǒng)所造成的誤差主要源于產(chǎn)生超聲波的DSP芯片時間啟動不一致。另一個原因是，不對等布線使有用信噪比會因為硬件電路設(shè)計干擾而下降，導(dǎo)致測量精度下降。因此在試驗中，為避免產(chǎn)生該誤差，應(yīng)盡可能使超聲波換能器平面平行于障礙物平面，減小由于系統(tǒng)布局問題帶來的意外誤差。綜上，設(shè)計的AGV避障系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全避障的功能，符合預(yù)期要求。

表1 室溫下（20 ℃）不同算法試驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of different algorithms at room temperature (20 ℃)/%

表2 不同溫度下有無溫補(bǔ)電路的試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of temperature compensation circuit at different temperatures

圖7 不同溫度下測量距離與測量誤差之間的對應(yīng)關(guān)系Fig.7 Relationship between measurement distance and measurement error

4 結(jié)論

本文在超聲波傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計了定制家具AGV避障系統(tǒng)，充分發(fā)揮超聲波傳感器方向性良好、不易受外部環(huán)境干擾等優(yōu)勢，設(shè)計出的避障系統(tǒng)能夠高效可行地探測到實時交通信息從而實現(xiàn)車輛避障運(yùn)動。此外，以定制家具存儲倉庫為測試環(huán)境進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果表明，基于超聲測距的定制家具AGV能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、穩(wěn)定的避障控制，驗證了避障控制的準(zhǔn)確性。由于實際作業(yè)環(huán)境中障礙物種類繁多且移動劇烈，可將該方法運(yùn)用到存在移動障礙物的作業(yè)環(huán)境下，利用新的環(huán)境數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而使避障方法與障礙物相適應(yīng)。