武裝機(jī)動平臺測距避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會暴力犯罪和恐怖活動呈上升趨勢，士兵面臨的威脅更突然、直接、致命，這對部隊(duì)人員使用的武器裝備提出了更高要求。戰(zhàn)場無人裝備作為一種功能強(qiáng)大、反應(yīng)迅速、代價(jià)低廉、應(yīng)用廣泛的多技術(shù)融合體，漸漸步人人們的視野。為了能夠?qū)崿F(xiàn)移動戰(zhàn)場無人裝備的自主避障導(dǎo)航，必須建立移動戰(zhàn)場無人裝備的測距避障導(dǎo)航系統(tǒng)。用于戰(zhàn)場無人裝備測距避障的實(shí)現(xiàn)方法有多種，主要有超聲避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達(dá)等避障方法。其中超聲波傳感器以其信息處理簡單、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、速度快、性價(jià)比高和硬件實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用到移動戰(zhàn)場無人裝備的感知系統(tǒng)中。
以微控制器為核心的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的興起，超聲波檢測裝置在其檢測精度、手段、應(yīng)用范圍上實(shí)現(xiàn)了新的飛躍，廣泛應(yīng)用于智能化檢測和機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域。文中介紹了一種以單片機(jī)為主控芯片，采用多組超聲波傳感器采集障礙物信息，結(jié)合溫度補(bǔ)償原則，實(shí)現(xiàn)精確測距。該測距系統(tǒng)結(jié)合模糊控制避障算法，在自行設(shè)計(jì)的武裝機(jī)動平臺上得到實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了武裝機(jī)動平臺的安全避障。

1 超聲波測距原理
超聲波測距技術(shù)是一種非接觸式的測量物體間距離的方法。它是基于無目視能力的生物防御及捕捉獵物生存的原理。通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波時(shí)間，計(jì)算運(yùn)動物體與障礙物間的距離。對距離的測定通常采用渡越時(shí)間法，即利用超聲波探頭向某一方向發(fā)射出超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波在介質(zhì)中碰到被測物體，就會發(fā)生反射，探頭接收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)，從而計(jì)算
出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t，繼而根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到被測物之間的距離d=C×△t／2。
超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有關(guān)，為了獲得較精確的聲速，必須引入溫度補(bǔ)償。對空氣而言，本文采用超聲波速度C與環(huán)境溫度T的關(guān)系按如下公式計(jì)算：。硬件設(shè)計(jì)中加入溫度補(bǔ)償電路，本文采用溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度送給單片機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以修正聲速。

2 測距避障系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
武裝機(jī)動平臺由運(yùn)動行走子系統(tǒng)、火力控制子系統(tǒng)、偵察子系統(tǒng)、測距避障子系統(tǒng)組成，總體采用分級式控制方式，各子系統(tǒng)在中央處理器控制下完成相應(yīng)工作。測距避障子系統(tǒng)是武裝機(jī)動平臺重要組成部分，在硬件設(shè)計(jì)上，采用主、從機(jī)結(jié)構(gòu)，從機(jī)主要完成測距數(shù)據(jù)的采集處理，主機(jī)根據(jù)從機(jī)采集的距離信息完成復(fù)雜的避障算法，控制機(jī)器人的行走。從機(jī)主控芯片采用STC12C5412AD單片機(jī)，4組超聲波收發(fā)
傳感器采集障礙物信息，DS18B20溫度傳感器測定環(huán)境溫度，液晶1602顯示4組測定距離和環(huán)境溫度，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

編號1、2、3、4分別代表4組超聲波傳感器，武裝機(jī)動平臺的左右兩側(cè)各安裝1組，前方安裝兩組，分別用于感知各自方向上的障礙物信息，超聲波傳感器在武裝機(jī)動平臺上的分布如圖2所示。

溫度傳感器DS18B20用于感知環(huán)境溫度，把采集到的環(huán)境溫度送給單片機(jī)作溫度補(bǔ)償，提高測量障礙物與武裝機(jī)動平臺距離的精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障。
武裝機(jī)動平臺避障運(yùn)動分為4種情況：(a)只有1、2兩組超聲波檢測到障礙物，此時(shí)小車向右運(yùn)動，若3、4組測到障礙物則向相反方向運(yùn)動。(b)當(dāng)前方發(fā)現(xiàn)障礙物，1、4組均未檢測的障礙物時(shí)，令小車向右運(yùn)動。(c)當(dāng)4組超聲波都測到障礙物時(shí)，小車先倒退，然后向右運(yùn)動。(d)若1、4檢測到障礙物而2、3沒有檢測到障礙物，小車并不改變方向仍按直線行走。