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多传感器在智能机器人中的应用研究*

耿庆华，宋弘，陈桂徐

(四川理工学院自动化与电子信息学院)

摘要：介绍了一种使用多传感器快速测量智能机器人与障碍物之间距离的方法，使机器人不仅具备语音

识别功能,而且能实现智能避障。本设计给出了相应的电路设计和软件设计方案。实验结果表明：设计方案可行，

智能机器人工作稳定、可靠。

关键词：A/D转换；智能避障；红外测距传感器；语音识别..

Abstract: A kind of distance measuring method with Multi-Sensor in intelligent robot is introduced. The intelligent robot not only

have the function of speech recognition, but also can avoid obstacle intelligently .It is proved by experiment that the system works stably

and reliably.

Key words: A/D convert ; Intelligent obstacle-avoidance ; Intrared distance measurment sensor ; Speech recognition

中图分类号：TP242.6 文献标识码：B

0 引言

智能机器人内部装有微处器和传感器。智能机器人

在前进过程中需要不断获取前方及两侧的信息，从而判断

是否有障碍物及与障碍物之间的距离，进而执行相应的智

能避障算法。智能避障机器人在语音命令的控制下完成相

应的任务，在执行任务的过程中能够实时检测周围是否有

障碍物并判断出它们的位置，本文介绍了一种使用多传感

器来完成实时检测及语音识别的方法。..

1 智能机器人硬件电路的设计

在智能机器人中采用双CPU协同控制,最左边的单片

机执行语音识别功能，另一片单片机进行数据采集，并且

经过逻辑判断产生相应的控制信号，通过电机驱动装置使

电机产生不同的转速，从而达到智能避障的效果。双CPU

的协同工作解决了以往单个单片机难以对周围环境进行

实时检测的难题，丰富了单片机的资源，语音识别的引入

使机器人更加智能化。智能机器人的硬件电路如图1所示。

图1 红外测距模块原理图

本设计采用台湾凌阳公司SPCE061A单片机作为主控

芯片，外围由电机驱动装置、红外测距传感器单元、电源

收稿日期:2010-04-20

作者简介:耿庆华(1982-),男,河南商丘人,硕士研究生,主

要研究方向为现代控制理论及机器人技术。

*基金项目:四川省教育厅重大培育项目(2006ZD036)人工

智能四川省重点实验室重点项目(2008ZR001,2007R008)

文章编号：1001-9227(2010)05-0055-03

单元和两个直流电机组成。

表1 D4052的真值表

通过SPCE061A的I/O端口来控制CD4052，以选择不同

的传感器通道；采用IOB2和IOB3控制CD4052的A0和A1，而IOA4作为检测红外测距传感器的模拟输出电压信号，这样

通过CD4052的通道切换，就可以利用较少的端口来完成多

个模组的切换使用了，模拟电压信号经A/D转换并且把A/

D转换值在上位机显示。

CD4052是多通道模拟选择开关，具体选择哪个通道，

由输入的2位地址码A0、A1来决定。其真值表见表1。.. “/E”是禁止端，当“/E”=1时，各通道均被禁止。另外，CD4052

还有另外一个电源端口Vee，在电平位移时使用，在单组

电源供电条件下，使CMOS电路所提供的数字信号能直接

控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达

15V的交流信号。

在智能机器人的设计中使用了2对红外测距传感器

GP2D12。传感器1、4的方向分别垂直向右、向左，分别用于

感知右方和左方的障碍物；传感器2、3垂直向前，用于感

知前方障碍物[2]。传感器的摆放位置如图2所示，GP2D12红

外测距传感器的Vcc接+5伏电压，GND接地，Vo输出模拟电

压信号；不同的电压值代表距障碍物的不同距离。..

2 红外测距传感器的原理与选用

一个红外发射管和一个CCD检测器以及相应的硬件电

路构成了红外测距传感器，Sharp公司的CCD检测器可以检测到光点落在它上面的极小位移的变化，GP2D12正是利用

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多传感器在智能机器人中的应用研究耿庆华，等

这个特性实现了利用几何的方式进行测距，如图3所示。

图2 传感器的摆放位置

图3 三角测量原理

红外发射管向障碍物发出一个已校准的聚焦红外光

束，被障碍物反射回来，反射光被滤镜采集，并投影到一

个位置敏感器件PSD或CCD检测器上，反射回来的红外光

束被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L,根据三

角关系，在知道了发射角a、偏移值L、中心距X，以及滤镜

的焦距f以后，传感器到障碍物的距离就可以通过几何关

系计算出来了，D就是我们所要测量的距离.. [3]。从图3中可以看出，这是一个顶角为锐角极小的等腰三角形，底边只

有2cm，而高却有10～80cm，所以，CCD检测器的灵敏度必

须高，否则，微小的偏差，都会带来很大的误差。

GP2D12的供电电压为4.5～5.5伏，测量范围10～

80cm，最大允许角度:大于40度;标准电流功耗:33～35mA;

峰值功耗:约200mA;更新周期:25Hz/40ms;模拟输出噪声:

小于200mV;GP2D12的输出为0.4伏～2.4伏的模拟信号，分

别对应80cm～10cm，输出与距离成反比非线性关系，如图

4所示。

图4 GP2D12的输出方式..

语音识别模块的设计

在本设计中为机器人加入了语音识别[1]功能，使智能

机器人在人的语音命令的控制下执行相应的命令，人机交

互功能更加友好，经测试，特定人的语音识别率达到了.. 98%，基本满足了机器人的语音识别功能的需要。语音识

别模块仍采用凌阳单片机来实现，本设计中采用双凌阳单

片机协同工作，如图1所示，一片用于语音识别，另一片用

于控制与检测[6]。语言识别模块将识别出的语音命令输出

传递给控制模块，控制模块不间断的对语语音识别模块进

行检测，一旦检测到有不同的命令，就会执行相对应的命

令。在本设计中任选语音识别模块的单片机的A口中的5