基于超声波传感器的AGV避障模块设计与实现

AGV全称Automatecl Guided Vehicles，是一种装有自动导引装置，能够沿规定的路径行驶，具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移载功能的自动导航车。障碍物检测是自动导航车研究的一个基本问题，是实现安全、正常工作的前提。超声波传感器以其价格低廉、测距精度高、测量稳定、体积小等优点，被广泛用于AGV的避障检测。本文以超声波传感器为基础，结合CAN总线技术，设计一种AGV避障模块，实现准确、有效、稳定的障碍物检测，确保AGV的安全运行。

1 超声波传感器波束角测量

该避障模块使用的超声波传感器内部以渡越时间法进行测距。并自带温度传感器对测量结果进行校正，能够对2 cm至4.5 m距离范围内的障碍物实现准确的距离测量。开始测量时，控制器通过UART向超声波传感器的TX引脚输入触发信号，传感器发送探头启动并发射超声波脉冲，然后接收探头进入回波检测状态。在接收探头检测到回波信号后，结合温度补偿计算测距结果，并通过传感器的RX引脚输出距离测量数据。

1.1 超声波传感器测距数据采集

由于超声波传感器的探测波束角较小，在其实际应用中，一般使用多个传感器组成传感器阵列，以扩大探测范围。超声波传感器阵列的构建，须解决传感器在AGV上的布局问题，具体来说就是传感器数量和安装间距的选择问题。传感器数量和安装间距的选择须根据最小盲区要求确定，而超声波传感器的探测波束角是计算盲区的重要参数，因此需要设计实验测量传感器的探测波束角。

如图1的(a)所示，将超声波传感器固定于某点，在其前方选择与传感器探头距离为d的某点放置障碍物，进行测距实验并记录测距值。为了使实验结果能够充分反映实际情况，实验中选取不同距离d，且对于每个距离，以超声波传感器中轴线为原点，在左右两侧都选择离中轴线距离为L的多个点来放置障碍物。实验AGV对避障模块所要求的检测距离为0～2.5 m， 实验中选取的d序列为[100，200，300，400，600，800，1 200，1 600，2 400] mm;常用的超声波传感器波束角一般小于60°，所以对于每个距离d，在离中轴线[-0.6xd，0]和[0，0.6xd]范围内以相同间隔各选取10个点作为L的值。

1.2 超声波传感器测距数据处理

在图1(a)的实验中，利用勾股定理，可以得到障碍物实验中摆放位置与超声波传感器的实际距离：

对实验中的每一个测距值s’，结合式(1)和式(2)可计算出相应的相对误差。将实验数据导入至Matlab中，以L为横坐标、d为纵坐标、σ为竖坐标，对其插值并作图，如图1(b)所示。

从实验结果可以看出，将障碍物摆放于超声波传感器可检测到的区域时，检测结果的相对误差都能够满足σ6%，因此在图1(b)中选取相对误差σ6%的区域，可得到超声波传感器的波束角约为θ=40°。

2 AGV避障传感器布局设计

2.1 传感器数量和布局方式选择

AGV避障模块检测的盲区大小与超声波传感器的安装数量、安装间距有关，传感器数量越多、安装间距越小，检测盲区就越小，反之则大。超声波传感器利用障碍物对声波的反射作用进行距离检测，这一特性也决定了交叉串扰现象的存在，即一个传感器发射的声波经障碍物反射后，能够被相同检测方向的传感器接收到，从而产生错误的测距结果。因此在使用多个超声波传感器进行障碍物检测的场合，常采用传感器交替工作方式，即某一时刻有且只有一个超声波传感器在检测障碍物。若传感器安装数量过多，AGV避障检测周期就会增大，影响其检测实时性，从而对AGV的安全工作产生不利因素。从减小盲区和提高避障检测实时性两方面综合考虑，从实验AGV的500 mm车宽出发，初步确定在所应用的实验AGV的车头安装4个超声波传感器。由于实验AGV不需要倒车和侧向移动，所以其车尾和侧面不需要安装超声波传感器。

为了使每两相邻超声波传感器之间的检测盲区大小保持一致，4个传感器采用等距布局的方式，如图2(a)所示。两相邻传感器的距离为：

2.2 避障预警距离和检测盲区计算

如图2(b)所示，距离AGV两侧250 mm范围内为侧面安全距离。中间的2、3号超声波传感器作为主探测器，两侧的1、4号为辅助探测器。其中辅助探测器用于减小主探测器的测量肓区。主探测器和辅助探测器的预警距离分别为：

在AGV的避障检测中，当障碍物进入2、3号超声波传感器的d3范围或1、4号超声波传感器的d2范围内时，AGV停车报警。

在图2(b)中，AGV车头前面的阴影部分为避障检测模块的检测盲区区域，由多个三角形组成，该区域垂直距离(即三角形的高)为：

可见，在此布局方案中，AGV避障模块的检测盲区较小，配合安装于车头的防撞杆