基于超聲波測(cè)距的機(jī)器人模糊避障研究

1、目錄摘要31 引言41.1選題的背景及意義41.2 機(jī)器人的發(fā)展綜述52 超聲波測(cè)距62.1 超聲波概論62.2 兩種常用的超聲波測(cè)距方案62.2.1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)62.2.2 基于CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)72.3超聲波測(cè)距的工作原理83 機(jī)器人的模糊避障系統(tǒng)93.1 移動(dòng)機(jī)器人的避障傳感器93.1.1 激光傳感器93.1.2 視覺(jué)避障93.1.3 超聲傳感器93.2 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想103.2.1超聲傳感器的幻影現(xiàn)象103.2.2 模糊避障算法設(shè)計(jì)114 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)134.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)134.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)144.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路144.4 超聲波發(fā)射

2、系統(tǒng)電路154.5超聲波接收系統(tǒng)電路164.6 顯示模塊的設(shè)計(jì)174.7機(jī)器人避障的硬件系統(tǒng)185 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)196 結(jié)論與總結(jié)22致謝23參考文獻(xiàn)24附錄125附錄226基于超聲波測(cè)距的機(jī)器人模糊避障研究 電子信息工程 *指導(dǎo)老師 *摘要：移動(dòng)機(jī)器人在工作的時(shí)候不可避免地受到障礙物的干擾，障礙物會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)器人的工作效率，碰撞時(shí)更會(huì)使機(jī)器人損壞，所以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)避障非常重要。本論文在分析了智能移動(dòng)機(jī)器人避障常用傳感器的基礎(chǔ)上，提出了基于超聲波傳感器測(cè)距的移動(dòng)機(jī)器人的模糊避障系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，采用單片機(jī)AT89C52為核心，用超聲波測(cè)距的方法檢測(cè)障礙物，通過(guò)單片機(jī)

3、對(duì)信號(hào)的處理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，左右前進(jìn)與后退，從而達(dá)到自動(dòng)避障的功能。通過(guò)實(shí)踐得出模糊避障控制機(jī)理和策略易于接受和理解，便于應(yīng)用開(kāi)發(fā)，模糊避障算法對(duì)環(huán)境有很大的適應(yīng)性，機(jī)器人能在不同的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)了避障。關(guān)鍵詞： AT89C52單片機(jī)；移動(dòng)機(jī)器人；超聲波傳感器；超聲波測(cè)距1 引言隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，自主移動(dòng)機(jī)器人以其靈活和智能等特點(diǎn)，在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展可以通過(guò)單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其行駛方向、啟動(dòng)、停止以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)，操作人員可以通過(guò)修改移動(dòng)機(jī)器人的控制程

4、序來(lái)改變它的行駛方式。移動(dòng)機(jī)器人的避障運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)重要課題，實(shí)現(xiàn)避障的方法主要有超聲波避障、視覺(jué)避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達(dá)等。目前超聲波避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到實(shí)用的要求，因此成為常用的避障方法。本研究提出了基于超聲波測(cè)距的機(jī)器人模糊避障研究，從而獲得了有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.1選題的背景及意義 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等

5、等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人超聲波是頻率高于20KHz的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。一般認(rèn)為超聲波的發(fā)現(xiàn)是意大利科學(xué)家斯帕拉捷，他習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。他常?？吹?，很多蝙蝠靈活的在空中飛來(lái)飛去，卻從不會(huì)撞到樹(shù)上或者墻壁上。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？ 1793年夏天，一個(gè)晴朗的夜晚，喧騰熱鬧的城市漸漸平靜下來(lái)。斯帕拉捷匆匆吃完飯，便走出街口，把籠子里

6、的蝙蝠放了出去。當(dāng)他看到放出去的幾只蝙蝠輕盈敏捷地來(lái)回飛翔時(shí)，不由得驚叫起來(lái)。因?yàn)槟菐字或?，眼睛全被他蒙上了，都是“瞎子”呀?斯帕拉捷為什么要把蝙蝠的眼睛蒙起來(lái)呢？原來(lái)，每當(dāng)他看到蝙蝠在夜晚輕巧自如的飛翔時(shí)，總認(rèn)為這些小精靈一定長(zhǎng)著一雙特別敏銳的眼睛，假如他們的眼睛瞎了，就不可能在黑夜中靈巧的多過(guò)各種障礙物，并且敏捷的捕捉飛蛾了。然而事實(shí)完全出乎他的意料，斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠憑什么來(lái)辨別前方的物體，捕捉靈活的飛蛾呢？ 于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。結(jié)果，蝙蝠在空中還是飛的那么敏捷、輕松?！半y道它薄膜似的翅膀，不僅能夠飛翔，而且能在夜間洞察一切嗎？”斯帕拉捷這樣猜想。他又捉來(lái)幾只蝙蝠，

7、用油漆涂滿它們的全身，然而還是沒(méi)有影響到它們飛行。 最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它們放到夜空中。這次，蝙蝠可沒(méi)有了先前的神氣，它們像無(wú)頭蒼蠅一樣在空中東碰西撞，很快就跌落在地。 ?。◎鹪谝归g飛行，捕捉食物，原來(lái)是靠聽(tīng)覺(jué)來(lái)辨別方向、確認(rèn)目標(biāo)的！ 斯帕拉捷的實(shí)驗(yàn)，揭開(kāi)了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進(jìn)一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽(tīng)”到?jīng)]有聲音的物體呢？ 后來(lái)人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來(lái)，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人耳聽(tīng)不見(jiàn)的“超聲波”，這種聲音沿著直線傳播，一碰到物體就像光照到鏡子上那樣反射回來(lái)。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。 現(xiàn)在，

8、人們利用超聲波來(lái)為飛機(jī)、輪船導(dǎo)航，尋找地下的寶藏。超聲波就像一位無(wú)聲的功臣，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域。斯帕拉捷怎么也不會(huì)想到，自己的實(shí)驗(yàn)，會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)如此巨大的恩惠。1.2 機(jī)器人的發(fā)展綜述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，帶動(dòng)了其他的技術(shù)的不斷的發(fā)展，機(jī)器人就是一個(gè)典型的例子。機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活方式也慢慢的發(fā)生變化。人們?cè)趯?duì)自然的不斷探討、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類(lèi)的夢(mèng)想。機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器

9、人的歷史才真正開(kāi)始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾曾于1946年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。1954年，德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機(jī)器人，認(rèn)為汽車(chē)工業(yè)最適于用機(jī)器人干活，因?yàn)槭怯弥匦蜋C(jī)器進(jìn)行工作，生產(chǎn)過(guò)程較為固定。1959年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，機(jī)器人正在經(jīng)歷著一個(gè)從初級(jí)到高級(jí)的飛躍，它正沿著達(dá)爾文的“進(jìn)化論”逐漸發(fā)展自己，壯大自己，完善自己。研制具有人

10、類(lèi)外觀特征，可以模擬人類(lèi)行走與基本操作功能的類(lèi)人型機(jī)器人，一直是人類(lèi)機(jī)器人研究的夢(mèng)想之一。類(lèi)人型機(jī)器人研究是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，代表著一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平。1997年，日本本田公司率先研制出第一臺(tái)類(lèi)人型步行機(jī)器人樣機(jī)。目前，機(jī)器人正在進(jìn)入“類(lèi)人機(jī)器人”的高級(jí)發(fā)展階段，即無(wú)論從相貌到功能還是從思維能力和創(chuàng)造能力方面，都向人類(lèi)“進(jìn)化”，甚至在某些方面大大超過(guò)人類(lèi)，如計(jì)算能力和特異功能等。類(lèi)人型機(jī)器人技術(shù)，集自動(dòng)控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺(jué)計(jì)算、程序設(shè)計(jì)、組合導(dǎo)航、信息融合等眾多技術(shù)于一體。專家指出，未來(lái)的機(jī)器人在外形方面將大有改觀，如目前的機(jī)器人大都為方腦袋、四方身體以及不成比例的粗大四肢

11、，行進(jìn)時(shí)要靠輪子或只作上下、前后左右的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而未來(lái)的機(jī)器人從相貌上來(lái)看與人無(wú)區(qū)別，它們將靠雙腿行走，其上下坡和上下樓梯的平衡能力也與人無(wú)異，有視覺(jué)、有嗅覺(jué)、有觸覺(jué)、有思維，能與人對(duì)話，能在核反應(yīng)堆工作，能滅火，能在所有危險(xiǎn)場(chǎng)合工作，甚至能為人治病，還可克隆自己和自我修復(fù)自己?？傊?，它們能在各種非常艱難危險(xiǎn)的工作中，代替人甚至超過(guò)人類(lèi)去從事各種工作。它的運(yùn)用潛力將在不久的將來(lái)得到很好的驗(yàn)證。而自動(dòng)尋跡也是機(jī)器人領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類(lèi)越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而

12、基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)，所以在這些方面都很有研究的價(jià)值。2 超聲波測(cè)距2.1 超聲波概論超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的，其頻率在20 kHz以上。超聲波在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療技術(shù)、日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越多。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性強(qiáng)、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，常用于測(cè)量物體的距離、厚度、液位等。我們知道，電磁波的傳播速度為3108 m/s，而超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同媒體里傳播速度相同，

13、即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法和電磁波是類(lèi)似的。 A=A(x)cos(t+kx) (2.1.1) A(x)=A0e-x (2.1.2)式中，A(x)為振幅，A0為常數(shù)，為圓頻率，t為時(shí)間，x為傳播距離，k=2/為波數(shù)，A為波長(zhǎng)， 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為： =af2 (2.1.3)式中，a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻率。在空氣中，a=210 ，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40kHz帶入式2.1.3，可得 3。210 /cm，即1/=31m; 若f=30kHz，則1/=

14、56m，它的物理意義是：在(1/)的長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)的e分之一，由此可以看出，頻率越高衰減的越厲害，傳播的距離越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗?？紤]實(shí)際工程測(cè)量要求，選用頻率f=40kHz的超聲波。超聲波具有如下特性： 1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 2） 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 3） 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。2.2 兩種常用的超聲波測(cè)距方案2.2.1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率

15、為40kHz 的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)反射物反射回來(lái)后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，在接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給LED 顯示 。利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測(cè)距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡(jiǎn)單。許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這

16、種設(shè)計(jì)方法。2.2.2 基于CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)這種測(cè)距系統(tǒng)采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)編寫(xiě)程序，使用MAX+plusII 軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。CPLD 器件內(nèi)部的宏單元是其最基本的模塊，能獨(dú)立地編程為D 觸發(fā)器、T觸發(fā)器、RS 觸發(fā)器或JK 觸發(fā)器工作方式或組合邏輯工作方式。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼

17、顯示全部由MAX 來(lái)實(shí)現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個(gè)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測(cè)距儀。此測(cè)距系統(tǒng)利用CPLD 器件控制超聲波的發(fā)射，并對(duì)超聲波發(fā)射至接收的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)算結(jié)果在LED 上顯示出來(lái)。配合使用MAX+plusII 開(kāi)發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開(kāi)發(fā)周期短。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2 基于CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射40kHz 的超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)，MAX7128S 內(nèi)的計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來(lái)。

18、超聲波接收器收到反射波后就將回波信號(hào)送到CPLD，CPLD 立即停止計(jì)數(shù)。CPLD 所計(jì)的時(shí)間就是超聲波從傳感器到被測(cè)物的往返時(shí)間。超聲波在空氣中的傳播速度如設(shè)定為332m/s，根據(jù)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即：s=332t/2。CPLD 開(kāi)始計(jì)數(shù)后，只要傳感器收到回波，CPLD 就立即停止計(jì)數(shù)，即只有最先返回的超聲波才起作用，也就是說(shuō)超聲波測(cè)距儀總是測(cè)得離傳感器最近的物體的距離。通過(guò)以上介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)

19、刻同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s=vt/2。2.3超聲波測(cè)距的工作原理超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法；聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為：超聲波發(fā)生器T1在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器T2所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超

20、聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式為：s=ct/2。其中d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離，s為聲波的來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法如圖3所示。 圖3 超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法3 機(jī)器人的模糊避障系統(tǒng)機(jī)器人安全避障是機(jī)器人研究的重要領(lǐng)域，人們很早就開(kāi)始對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和CharlesRosen 等人早在20世紀(jì)70年代初就研制了Shakey 的自主移動(dòng)機(jī)器人，目的是應(yīng)用人工智能技術(shù)研究機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主推理、規(guī)劃和控制。20 世紀(jì)70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究又出現(xiàn)了新的高

21、潮。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。避障是智能移動(dòng)機(jī)器人基本的功能，具體的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣。避障使用的傳感器主要有激光傳感器、視覺(jué)傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器等。3.1 移動(dòng)機(jī)器人的避障傳感器3.1.1 激光傳感器激光測(cè)距傳感器的方向性特別好，對(duì)一般應(yīng)用可以認(rèn)為是理想的直線。激光測(cè)距傳感器的波束很窄，所以方向性好，因此可得到障礙物的準(zhǔn)確位置。激光測(cè)距的精確度很高，但是激光測(cè)距的技術(shù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，且一些激光傳感器發(fā)射的激光，對(duì)人的眼睛有傷害。3.1.2 視覺(jué)避障

22、視覺(jué)避障的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣，可以獲得物體的形狀、速度等信息。實(shí)際應(yīng)用中使用多個(gè)攝像機(jī)，或是利用一個(gè)攝像機(jī)的序列圖像來(lái)計(jì)算目標(biāo)的距離和速度，還可采用SSD算法，根據(jù)一個(gè)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)計(jì)算機(jī)器人與目標(biāo)的相對(duì)位移，并用自適應(yīng)濾波對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減小因環(huán)境不穩(wěn)定性造成的測(cè)量誤差。在圖像處理中，邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，對(duì)中央處理機(jī)要求高，不適合在較小的自主移動(dòng)機(jī)器人上使用。視覺(jué)測(cè)距法檢測(cè)不能檢測(cè)到玻璃等透明障礙物的存在，另外受視場(chǎng)光線強(qiáng)弱、煙霧的影響很大。3.1.3 超聲傳感器超聲傳感器的成本低，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，是機(jī)器人避障的常用傳感器。機(jī)器人是利用超聲測(cè)距

23、來(lái)探測(cè)障礙的位置，超聲波測(cè)距采用時(shí)間差測(cè)距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，。由于超聲波在空氣中的速度和空氣的溫度濕度有關(guān)，在比較精確的測(cè)量中，可以把溫度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法，但是單超聲傳感器避障存在由于超聲波的方向性不好造成對(duì)障礙物的定位不精確，存在探測(cè)盲區(qū)等缺點(diǎn)。特別是當(dāng)超聲傳感器和障礙形成一定角度時(shí)會(huì)產(chǎn)生幻影導(dǎo)致機(jī)器人得到

24、錯(cuò)誤的信息，從而發(fā)生碰撞。本文采用多個(gè)傳感器的模糊避障算法來(lái)克服超聲傳感器的幻影干擾，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全避障。3.2 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 移動(dòng)機(jī)器人感知環(huán)境的手段是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全、不連續(xù)、不可靠的，因此移動(dòng)機(jī)器人的安全避障成為當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題。安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法，但超聲避障存在一些缺點(diǎn)，如存在探測(cè)盲區(qū)等，特別是當(dāng)超聲傳感器和障礙形成一定角度時(shí)會(huì)產(chǎn)生幻影導(dǎo)致機(jī)器人得到錯(cuò)誤的信息，從而發(fā)生碰撞。本文采用多個(gè)傳感器的模糊避障算法來(lái)克服超聲傳感器的幻影干擾，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全避障。 3

25、.2.1超聲傳感器的幻影現(xiàn)象超聲傳感器是靠發(fā)射聲波信號(hào)，利用物體界面上超聲反射來(lái)檢測(cè)障礙物。超聲波在空氣中傳播時(shí)如果遇到其它媒介，則因兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射，因此可以根據(jù)分析檢測(cè)到的反射波來(lái)獲取障礙物信息。超聲傳感器發(fā)出的超聲波，是具有一定方向性的波束，當(dāng)超聲傳感器和障礙物形成一定角度時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生幻影。在圖4中傳感器發(fā)出的超聲波發(fā)生了鏡面反射，雖然障礙物和機(jī)器人很近，但是由于幻影的產(chǎn)生，機(jī)器人誤認(rèn)為障礙物很遠(yuǎn)，機(jī)器人就會(huì)和障礙物發(fā)生碰撞。圖4 幻影產(chǎn)生示意圖由于幻影的存在，實(shí)驗(yàn)采用多個(gè)超聲傳感器，消除幻影的干擾。超聲傳感器的位置排列如圖5所示，移動(dòng)機(jī)器人中間的六個(gè)超聲傳感器

26、信號(hào)，即1號(hào)到6號(hào)的超聲信號(hào)，每個(gè)傳感器中心角度間隔為20度。根據(jù)需要，傳感器的間隔角度大小還可以進(jìn)行調(diào)整。圖5 超聲傳感器位置圖3.2.2 模糊避障算法設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的環(huán)境非常復(fù)雜，而且一般情況下是未知的，因此很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)障礙物的位置。采用模糊控制算法非常適合移動(dòng)機(jī)器人的避障，模糊控制器的輸入是超聲傳感器的距離信號(hào)，輸出是機(jī)器人的動(dòng)作，規(guī)定機(jī)器人只能有前進(jìn)或旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)一定控制策略，建立輸入輸出的模糊語(yǔ)言集合和模糊控制規(guī)則。 輸入輸出的模糊語(yǔ)言：模糊控制器的輸入?yún)?shù)是機(jī)器人六個(gè)超聲傳感器檢測(cè)到的距離信號(hào)。把六個(gè)超聲傳感器的輸入信號(hào)分為左右兩組，每組三個(gè)，即機(jī)器人左邊

27、三個(gè)超聲傳感器為左組，機(jī)器人右邊三個(gè)超聲傳感器為右組。每次讀入左組三個(gè)超聲傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，選取其中最小的一個(gè)數(shù)值作為左邊的輸入，左邊的數(shù)值用Left表示。同樣，每次讀入右組三個(gè)超聲傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，選取其中最小的一個(gè)數(shù)值作為右邊的輸入，右邊的數(shù)值用Right表示。距離信號(hào)的模糊語(yǔ)言集合如下： 近，中，遠(yuǎn)設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，并記作： ND(near distance)= 近MD(middle distance)= 中LD(long distance)= 遠(yuǎn)距離參數(shù)的隸屬度函數(shù)如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為距離信號(hào)，單位為厘米，縱坐標(biāo)是隸屬度。為了計(jì)算簡(jiǎn)單，采用了線性函數(shù)，可以減少控制器的計(jì)

28、算負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。模糊控制器的輸出為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)或前進(jìn)，輸出的模糊語(yǔ)言集合如下： 右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，前進(jìn)，稍微左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)圖6 輸入隸屬函數(shù)圖設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，并記作： TR(turn right)= 右轉(zhuǎn)TRL(turn right a little)= 稍微右轉(zhuǎn)GA(go ahead)= 前進(jìn)TLL(turn left a little)= 稍微左轉(zhuǎn)TL(turn left)= 左轉(zhuǎn)輸出參數(shù)的隸屬度函數(shù)如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)的角度大小，向左為正方向，向右為負(fù)方向，縱坐標(biāo)是隸屬度。同樣為了減少計(jì)算工作量，提高運(yùn)算速度，采用了線性函數(shù)。圖7 輸出隸屬函數(shù)圖模糊控制規(guī)則：用DR表示機(jī)

29、器人右側(cè)與障礙物的距離，DL表示機(jī)器人左側(cè)與障礙物的距離，U表示輸出，機(jī)器人的避障規(guī)則如表1所示： UDLDRNDMDLDNDTRLTLLTLMDTRLGATLLLDTRTRLGA表1 模糊規(guī)則控制表用 IF，THEN 形式表示控制規(guī)則，如規(guī)則R1可寫(xiě)為： IF DR=ND AND DL=ND；THEN U=TRL；歸納總結(jié)其控制算法規(guī)則為R1到R9，共9條規(guī)則。4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距部分是機(jī)器人避障的核心部分。本設(shè)計(jì)采用AT89C52或AT89S52單片機(jī)，晶振:12M，單片機(jī)用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸

30、出的返回信號(hào)，顯示電路采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，斷碼用74LS244，位碼用8550驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本設(shè)計(jì)包括超聲波接收電路、超聲波發(fā)送電路、距離顯示電路組成。原理方框圖如圖8所示 圖8 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)框圖單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非常活躍且頗具生命

31、力的機(jī)種。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和I/O 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。4.2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置

32、通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可以提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。 AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路

33、、復(fù)位電路。AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路如圖10 所示。 圖10 AT89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)復(fù)位電路：由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平，并且，這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來(lái)決定。典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。晶振電路：在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上，晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。典型的晶振取值為11.0592MHz

34、(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場(chǎng)合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級(jí)時(shí)歇，方便定時(shí)操作)。4.4 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器T1能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。40kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器T以

35、聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖11所示。圖中輸出端上拉電阻R7，R9，一方面可以提高反向器74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力， 另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。圖11 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路4.5超聲波接收系統(tǒng)電路上述T1發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器T2進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的R( INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖12所示?？梢钥吹?，集成芯片CX20106 在

36、接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0 可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過(guò)程如下: 接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳

37、。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到AT89C52的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R11 ，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。圖12 超聲波接收系統(tǒng)原理圖4.6 顯示模塊的設(shè)計(jì)方案一：選用LCD1602顯示屏LCD1602液晶顯示,由單片機(jī)驅(qū)動(dòng).它主要用來(lái)顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美觀。如圖所示：圖13 LCD1602液晶顯示屏 方案二：選用點(diǎn)陣顯示點(diǎn)陣顯示是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來(lái)顯示漢字，同時(shí)也能

38、顯示數(shù)字和少量圖象,但它的焊接較麻煩,價(jià)格高，鑒于所設(shè)計(jì)的題目要求它不切實(shí)際。所以排除此方案。方案三：選用LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示其電路容易理解且驅(qū)動(dòng)的程序簡(jiǎn)單，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)I/O口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案四：采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示價(jià)格低廉，不僅減少了對(duì)I/O口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。其驅(qū)動(dòng)程序容易編寫(xiě)和理解。當(dāng)顯示內(nèi)容不太多，可以排除；經(jīng)過(guò)四種方案的比較以及本系統(tǒng)實(shí)際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個(gè)內(nèi)容，上述的LCD液晶顯示比較妥善，我們選擇性價(jià)比相

39、對(duì)高的LCD1602液晶。4.7機(jī)器人避障的硬件系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、車(chē)速檢測(cè)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑模糊避障模塊、顯示模塊、單片機(jī)模塊等組成。路徑模糊避障模塊將采集到的路面障礙物與車(chē)體位置的信息、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊測(cè)得的車(chē)速信息通過(guò)各自的接口送到單片機(jī)。單片機(jī)則根據(jù)這些信息，通過(guò)相應(yīng)的軟件算法對(duì)舵機(jī)與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而完成對(duì)小車(chē)方向與速度的控制，電源模塊則向各個(gè)模塊提供所需的電壓與電流，并要保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行。障礙物的信息包括超聲波傳感器中心到障礙物的最短距離和障礙物相對(duì)于車(chē)體的方位。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集每個(gè)方向上超聲波傳感器中心到障礙物的邊界距離，進(jìn)行比

40、較劃分找到其中最短的距離及方位作為車(chē)體到障礙物的最短距離和方位。避障算法如下：移動(dòng)機(jī)器人以某一速度前進(jìn)，如果某一傳感器檢測(cè)到的距離符合R1 R9某個(gè)規(guī)則，那么機(jī)器人就根據(jù)程序選擇繞開(kāi)障礙物或繼續(xù)前進(jìn)。避障軟件實(shí)現(xiàn)的步驟包括主程序、測(cè)距程序、顯示程序、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制，如圖14所示為避障步驟圖。圖14 避障步驟圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變?cè)趩纹瑱C(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后通過(guò)軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出P0、P1和

41、P2口顯示。程序流程圖如圖15，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。 (a) (b) (c)圖15 程序流程圖根據(jù)避障規(guī)則，移動(dòng)機(jī)器人以某一速度前進(jìn)，如果某一傳感器檢測(cè)到的距離小于某個(gè)值，這個(gè)值是預(yù)定義可編程的臨界距離，那么機(jī)器人以某一角度偏轉(zhuǎn)，從而繞開(kāi)障礙物繼續(xù)前進(jìn)。機(jī)器人在行駛過(guò)程中如果遇到障礙物，它的超聲波測(cè)距系統(tǒng)馬上計(jì)算出機(jī)器人與障礙物的距離d，若ddc(避障的臨界距離，其中dc為程序預(yù)設(shè)值)，電機(jī)左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動(dòng)，從而繞過(guò)障礙物實(shí)現(xiàn)避障的效果。程序流程圖如圖16所示。 圖16 避障程序流程圖6 結(jié)論與總結(jié)由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳

42、感器的測(cè)量值與實(shí)際值會(huì)有一些偏差，表2為超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位: cm） 障礙物實(shí)際距離（cm） 測(cè)量距離（cm）45 55.5 60 66.9 75 83.1 100 107.2 125 131.5 150 157.3 175 182.4 200 206.4表2 超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位: cm）從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量值總是比實(shí)際值大出大約7cm，經(jīng)過(guò)分析原因主要有三個(gè)方面：第一方面，超聲波傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號(hào)的干擾，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送16 個(gè)脈沖串。對(duì)于單個(gè)回聲

43、的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以最終測(cè)得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測(cè)量值與實(shí)際值的偏差，我們采用最小二乘法對(duì)表1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)擬合，我們得到下面的方程：y=1.0145x- 9.3354( 其中: y 為實(shí)際值, x 為測(cè)量值)修正后本超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3 所示:障礙物實(shí)際距離（cm） 測(cè)量距離（cm）45 46.8 60 58.5 75 74.9 100 99.4 125 124.1 150 150.2 175 175.7 200 200.1表3 修正后超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值 （單位：c

44、m）從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出, 系統(tǒng)的測(cè)量誤差在2%以內(nèi), 滿足我們的測(cè)量要求。本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以及它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT89C52 芯片。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的40kHz 的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。接收電路采用的是LM741，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再

45、輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的LED 顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。單片機(jī)內(nèi)部采用C 語(yǔ)言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)距范圍從20cm 到200cm，測(cè)量精度在10cm 內(nèi)。測(cè)距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)。總體來(lái)說(shuō)，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)

46、計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程，有了更深入的理解和掌握。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。本文實(shí)現(xiàn)了利用超聲波測(cè)距信息來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的順利避障行走，是因?yàn)槌暡y(cè)距儀信息處理簡(jiǎn)單、速度快，但它也具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在探測(cè)波束角過(guò)大、方向性差、只能獲得目標(biāo)的距離信息，而不能準(zhǔn)確地提供目標(biāo)的邊界信息等，故需要對(duì)數(shù)據(jù)的融合算法進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以消除它的缺陷。致謝首先感謝我的導(dǎo)師*老師，在*的耐心指導(dǎo)和幫助下，我才能順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。從電路的設(shè)計(jì)到調(diào)試整個(gè)過(guò)程中，我都從*那里學(xué)會(huì)了很多專業(yè)方面的知識(shí)。通過(guò)這次畢業(yè)

47、設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。也感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我的所有同學(xué)和師兄師姐們，感謝你們對(duì)我的支持。由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在很多不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)1 沙愛(ài)軍. 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)J.北京:電子科技,2009(11).2 宋長(zhǎng)套,趙國(guó)象,任領(lǐng). 移動(dòng)機(jī)器人超聲波避碰傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)J .計(jì)算機(jī)測(cè)量與控

48、制,2006,(12) .3 李淑萍. 基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.北京:自動(dòng)化與儀器儀表,2009(3).4 王維斌. 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.北京:電子技術(shù),2009(6) .5 陳春林,陳宗海,卓奮基于多超聲波傳感器的自主移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)系統(tǒng)J.測(cè)控技術(shù),2004,23(6).6 栗桂鳳,周東輝,王光聽(tīng). 基于超聲波傳感器的機(jī)器人環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)J.傳感器技術(shù),2005,24(4).7 舒紅宇,王曉軍,陳竹,馮或. 電動(dòng)代步車(chē)用超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研制J . 機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2008 , (10).8 時(shí)德剛,劉嘩.超聲波測(cè)距的研究J.北京:計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2002(10).9 吳慎山,聶惠娟等.智能超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.鄭州:河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),200