本发明涉及避障技术领域，尤其涉及一种应用于移动机器人的超声波避障系统。
背景技术：
随着移动机器人以及自动驾驶技术的普及，如何让移动机器人或者无人车辆能够判断前方有无障碍物以及躲避障碍物成为了亟待解决的重要问题。要实现自动控制，安全避障系统必不可少。现有安全避障技术有激光避障、红外避障以及超声波避障。激光避障可以实现不同距离的安全防护，但是价格昂贵，且维护成本高。红外避障价格虽然便宜，但是受环境光线影响较大，使其避障功能使用场合受限。超声波避障则实现了两者的平衡，适用于移动车辆的全方位布局防护。
移动机器人行走路径是实时自主的，需要通过安全避障配合导航技术实现。这要求安全避障系统实时、可靠、反应灵敏。在移动机器人自主运行时自动监测周围环境，判断有无人畜接近，通过算法规划行走路径。
发明专利CN104820429B公开了一种基于超声波距离检测的无人机避障系统及其控制方法，通过上下左右前后六个方向的超声波传感器实现无人机避障，但是应用对象是无人机，不是移动机器人，不仅应用对象的体积区别较大，而且在超声波传感器布局方面也与移动机器人的考虑因素不一样。
发明专利CN205554311U公开了一种基于AT89S51单片机智能超声波避障与红外遥控的儿童汽车，单片机使用定时器间每隔500ms控制超声装置发射超声波，该系统实时性较低，使用的AT89S51单片为8位处理器，性能较差，无法运行多线程程序。
发明专利CN206202116U公开了一种超声波避障的机场除雪车信号灯躲避系统，该系统将检测数据显示给驾驶员，只是将超声波避障技术作为驾驶员的辅助避障手段，不能实现移动机器人的完全自主避障。
综合来看，现有技术方案存在以下5方面的缺点：
(1)现有技术方案大多使用低性能8位处理器，无法运行嵌入式实时操作系统，当超声波传感器数量较多时，处理速度不够快，无法做到实时高效的避障。
(2)采用分离式超声波传感器，超声波发射装置与接收装置分开，体积较大，反应速度慢，精度低。或者使用外购超声波传感器，成本高，货期长，无法定制化开发。
(3)现有技术方案采用开关量超声波传感器，只能输出高低电平的开关量，无法通过通讯端口实时地输出检测距离。
(4)现有技术方案使用激光、雷达等作为安全避障装置，成本高；或者使用红外测距装置，极易受环境光影响，使用场景受限。
(5)现有技术方案中的超声波传感器布局无法实现360度无死角防护。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种应用于移动机器人的超声波避障系统，使该系统具有32位的高效处理器及嵌入式实时操作系统，以利于对多个超声波测距装置数据进行实时计算处理，并能够将数据发送给上位机，并且该系统中的超声波收发一体测距装置为自主研发，检测精度高，使用LIN总线接口进行通讯，方便长距离的数据传输，该系统可以全天候使用，不受室内外环境影响，可以实现360度全方位障碍物检测。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括以下5点：
(1)为系统配置怎样的处理器才能使其装载嵌入式实时操作系统，能够对多个超声波测距装置的数据进行实时高效地计算处理，通过怎样的接口才能够将数据发送给上位机。
(2)如何使得该系统中的测距装置体积小巧，检测精度高，易于安装和维护更换。
(3)系统中的测距装置采用何种通信方式及接口与处理器通信，以便高效地将检测的距离数据发送给处理器，而且要便于长距离的数据传输。
(4)采用哪种类型的测距装置才能使得系统可以全天候使用，不受室内外环境影响，而且成本适中。
(5)怎样在系统中对多个测距装置进行布局，通过相互配合使用来实现360度全方位障碍物检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用于移动机器人的超声波避障系统，包括处理器、第一通讯接口、上位机、驱动单元、电源模块、惯性单元、LIN总线通讯电路、超声波测距模块；所述处理器与所述电源模块相连接，所述处理器分别与所述惯性单元、所述驱动单元连接并通信，所述处理器通过所述第一通讯接口与所述上位机通信，所述处理器通过所述LIN总线通讯电路与所述超声波测距模块通信；
所述处理器为基于32位Coretex-M3内核的处理器或者基于32位Coretex-M4内核的处理器；
所述第一通讯接口为CAN总线接口或者RS485总线接口或者以太网接口；
所述上位机为工控机或者其他运行LINUX系统的上位处理机，所述上位机用于复杂算法的处理运算，以及所述移动机器人的工作任务调度；
所述驱动单元用于实现所述移动机器人的电机驱动，所述驱动单元在所述上位机的控制下实现对所述移动机器人的移动、转向操作；
所述电源模块包括电池、LM5005芯片、LM2596芯片，所述电源模块为所述应用于移动机器人的超声波避障系统，将电池电压降压并进行整体供电；
所述惯性单元包括六轴陀螺仪，用于调整所述移动机器人的姿态，确定所述移动机器人在移动过程中的方向以及转向的速度信息；
所述超声波测距模块包括至少一个自主研发的超声波收发一体测距装置。
进一步地，所述处理器具有嵌入式实时操作系统，支持所述第一通讯接口的协议标准，还支持LIN总线通讯协议，所述处理器用于对来自所述超声波测距模块的数据进行实时计算处理，并将数据计算处理结果通过所述第一通讯接口发送给上位机。
进一步地，所述CAN总线接口包括隔离型CAN收发器，所述隔离型CAN收发器分别与所述驱动单元、所述上位机、所述处理器连接并通信。
进一步地，所述自主研发的超声波收发一体测距装置由收发装置集成而成，检测范围为30cm-150cm，每25ms刷新一次检测数据。
进一步地，所述自主研发的超声波收发一体测距装置通过LIN总线通讯电路与所述处理器通信，所述自主研发的超声波收发一体测距装置被设置为将检测的距离数据直接转换成符合LIN总线协议的数据，并通过所述LIN总线通讯电路发送给所述处理器，便于长距离数据传输。
进一步地，所述自主研发的超声波收发一体测距装置被设置为通过硬件设定方式或者软件设定方式来设定通讯地址，所述硬件设定方式支持16路地址设置：0x01-0x08，所述软件设定方式支持255路地址设置：0x01-0xff。
进一步地，所述自主研发的超声波收发一体测距装置的检测垂直角度100°，水平角度40°。
进一步地，所述自主研发的超声波收发一体测距装置循环发送超声波的时间周期受所述处理器控制，被设置为根据所述移动机器人的移动速度改变所述循环发送超声波的时间周期。
进一步地，所述自主研发的超声波收发一体测距装置被设置为若干个配合使用，具体数量根据实际使用需求确定，若干个所述自主研发的超声波收发一体测距装置呈环绕式分布安装在所述移动机器人上，使每一个所述自主研发的超声波收发一体测距装置的发射方向都朝外，实现360度全方位障碍物检测。
进一步地，所述应用于移动机器人的超声波避障系统被设置为全天候使用，不受室内外环境影响。
与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果包括以下5方面：
(1)采用基于32位的Cortex-M3或者Cortex-M4内核处理器，可以实现嵌入式实时操作系统，能够针对多个自主研发的超声波收发一体测距装置的距离检测数据进行实时高效地计算处理，并将数据通过CAN接口或者RS485接口或者以太网接口发送给上位机。
(2)采用超声波避障方式，成本适中，可以全天候使用，不受室内外环境影响。
(3)系统中使用了自主研发的超声波收发一体测距装置，它将超声波收发装置集成在一起，体积小巧，检测精度高，能实现30cm-150cm的检测范围，实现25ms刷新一次数据。而且有硬件设定和软件设定两种地址设置方式，便于安装维护。
(4)自主研发的超声波收发一体测距装置将检测的距离数据直接转换成符合LIN总线协议的数据，并通过LIN总线通讯电路发送给处理器，不仅数据处理效率高，而且便于长距离数据传输。
(5)自主研发的超声波收发一体测距装置能够实现检测垂直角度100°，水平角度40°，通过对多个自主研发的超声波收发一体测距装置合理布局配合使用，能够实现360度全方位障碍物检测。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的原理结构框图；
图2是自主研发的超声波收发一体测距装置的测量范围示意图；
图3是本发明的第2个实施例在使用中的环绕式分布安装布局图。
其中，1-基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器，2-ADM3053隔离型CAN收发器，3-上位机，4-驱动单元，5-电源模块，6-惯性单元，7-LIN总线通讯电路，8-超声波测距模块，9-自主研发的超声波收发一体测距装置，20-移动机器人，30-障碍物，40-超声波扫描面。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，一种应用于移动机器人的超声波避障系统包括基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1、ADM3053隔离型CAN收发器2、上位机3、驱动单元4、电源模块5、惯性单元6、LIN总线通讯电路7、超声波测距模块8，其中超声波测距模块8包括12个自主研发的超声波收发一体测距装置9。
基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1与电源模块5相连接，基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1还分别与惯性单元6、驱动单元4连接并通信，基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1通过ADM3053隔离型CAN收发器2与上位机3通信，通过LIN总线通讯电路7与12个自主研发的超声波收发一体测距装置9通信。
基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1具有嵌入式实时操作系统，相比于轮循执行程序的方式，实时操作系统能充分发挥处理器性能。基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1具有丰富的对外接口，便于系统优化拓展，支持CAN总线协议标准，还支持LIN总线通讯协议，用于对来自12个自主研发的超声波收发一体测距装置9的测量数据进行实时计算处理，并将数据计算处理结果通过ADM3053隔离型CAN收发器2发送给上位机3。
电源模块5包括电池、LM5005芯片、LM2596芯片，为应用于移动机器人的超声波避障系统进行整体供电，将电池电压降压，进行直流电压转换，给不同的模块供电，针对易受干扰的模块采用隔离电源供电。
上位机3为工控机或者其他运行LINUX系统的上位处理机，用于复杂算法的处理运算，以及移动机器人的工作任务调度。
ADM3053隔离型CAN收发器2无需额外隔离电源供电，简化了系统结构，能够有效地抵抗外部信号对系统的干扰，提升通讯的可靠性，由于CAN总线具有错误处理机制，所以ADM3053隔离型CAN收发器2能够向上位机3发送错误日志。
驱动单元4实现移动机器人的电机驱动，通过ADM3053隔离型CAN收发器2与上位机3通信，在上位机3的控制下实现移动机器人移动、转向的操作。
惯性单元6由六轴陀螺仪构成，用于移动机器人的姿态调整，确定移动过程中机器人的方向、转向的速度信息。
自主研发的超声波收发一体测距装置9由收发装置集成而成，体积小巧，安装方便，检测精度高。图2是自主研发的超声波收发一体测距装置的测量范围示意图，其中X轴坐标单位为度，Y轴坐标单位为厘米。如图2所示，检测距离范围为30cm-150cm，检测垂直角度100°，检测水平角度40°。
自主研发的超声波收发一体测距装置9通过计算发送超声波与接受到反射波的时间差计算出与障碍物的距离S，假设时间差为Δt，声速v＝340m/s，那么S＝v×Δt/2。
自主研发的超声波收发一体测距装置9通过LIN总线通讯电路7与基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1通信，将检测距离S直接转换成符合LIN协议的数据，并通过LIN总线通讯电路7发送给基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1，不仅提高数据处理效率，而且便于长距离数据传输。
自主研发的超声波收发一体测距装置9与基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1通过LIN总线连接，单根线即可实现数据交互，减少了布线数量，优化了布线结构，能够运用于各种支持LIN总线通讯协议的处理器。
自主研发的超声波收发一体测距装置9被设置为通过硬件设定方式或者软件设定方式来设定通讯地址，硬件设定方式支持16路地址设置：0x01-0x08，软件设定方式支持255路地址设置：0x01-0xff，方便用户在使用不同数量的自主研发的超声波收发一体测距装置9进行布局时采用不同的地址设定方式。用户可以通过不同的地址确定自主研发的超声波收发一体测距装置9的位置，判断某一路自主研发的超声波收发一体测距装置9检测到障碍物。
实施例2
为了解决现有技术中单个超声波传感器的扫面角度有限，盲区大，而使用激光雷达处理复杂的缺点，本发明所提出的超声波避障系统采用环绕式分布安装方式，分布方式如图3所示，解决了以往技术成本高，避障范围有限的缺点。
图3展示了本发明的一个较佳实施例运用于移动机器人20的环绕式分布安装布局图，12个自主研发的超声波收发一体测距装置9呈环绕式分布安装在移动机器人20上，首尾端各一个，左右侧各5个，根据每一个自主研发的超声波收发一体测距装置9的地址从小到大依次安装，方便在装置工作异常后快速调整或者更换。
为了最大限度利用自主研发的超声波收发一体测距装置9的检测垂直角度100°，减少自主研发的超声波收发一体测距装置9的使用数量，通过调整超声波收发一体测距装置9的位置，使它们的检测角度重合，实现360度避障覆盖，使每一个自主研发的超声波收发一体测距装置9的发射方向都朝外，利用单个自主研发的超声波收发一体测距装置9的检测角度，将整个移动机器人20的四周都包括在在超声波扫描范围之内，实现360度全方位障碍物检测。当移动机器人20做直线运动时，自主研发的超声波收发一体测距装置9在移动方向进行180度扫描，当移动机器人20转弯时，自主研发的超声波收发一体测距装置9进行360度全面扫描，通过不同的扫描方式充分利用超声波扫描面40，提高扫描效率，进行有效避障。
自主研发的超声波收发一体测距装置9循环发送超声波的时间周期受基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1的控制，根据移动机器人20的移动速度的快慢改变循环发送超声波的时间周期。移动机器人20的移动速度越快，循环发送超声波的时间周期越短，有效避免移动机器人碰撞障碍物30。
所述应用于移动机器人的超声波避障系统一旦检测到障碍物30，就会将超声检测的数据发送到基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1，由基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1判断障碍物30是否处于1.5m以内，并且将信号通过ADM3053隔离型CAN收发器2上传给上位机3，上位机3发出减速或停止指令给驱动单元4，由驱动单元4控制移动机器人20的电机减速或者停止。如检测到距离小于50cm，则基于32位Cortex-M3内核的LPC1768处理器1不发送数据给上位机3，而直接发出停止指令来控制驱动单元4，使移动机器人20急停。
移动机器人20与目标位置之间的行动路径默认为一条直线，如果在前进方向检测到障碍物30，则上位机3控制移动机器人20左移或右移安全距离L，然后再向前移动，直到安装在移动机器人20尾部的超声波收发一体测距装置9检测与障碍物距离超过150cm，然后再使移动机器人20相对右移或左移之前的安全距离L，重新回归原有路径，继续驶向目标位置。
移动机器人20在移动过程中，始终有惯性单元6的六轴陀螺仪记录姿态，保证移动机器人20移动时保持固定角度，移动机器人20发生偏转时，由算法自动校正后恢复设定角度。
在本发明所提出的应用于移动机器人的超声波避障系统中，如果是通过硬件设定方式来设定自主研发的超声波收发一体测距装置9的地址，则可以直接拆卸更换超声波收发一体测距装置9的收发装置，方便现场技术支持或维护人员傻瓜式更换工作异常的超声波收发一体测距装置9，从而使移动机器人20迅速投入正常使用中。
本发明所提出的应用于移动机器人的超声波避障系统的应用载体不仅限于移动机器人，还可以应用于类似自主移动设备。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。