畢業(yè)設(shè)計（論文）基于超聲波測距的機器人模糊避障研究

1、目錄摘要31 引言41.1選題的背景及意義41.2 機器人的發(fā)展綜述52 超聲波測距62.1 超聲波概論62.2 兩種常用的超聲波測距方案62.2.1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)62.2.2 基于cpld 的超聲波測距系統(tǒng)72.3超聲波測距的工作原理83 機器人的模糊避障系統(tǒng)93.1 移動機器人的避障傳感器93.1.1 激光傳感器93.1.2 視覺避障93.1.3 超聲傳感器93.2 避障系統(tǒng)設(shè)計思想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114 硬件系統(tǒng)設(shè)計134.1超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計134.2 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)144.3單片機最小系統(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174.7機器人避障的硬件系統(tǒng)185 系統(tǒng)軟件設(shè)計196 結(jié)論與總結(jié)22致謝23參考文獻24附錄125附錄226基于超聲波測距的機器人模糊避障研究 電子信息工程 *指導老師 *摘要：移動機器人在工作的時候不可避免地受到障礙物的干擾，障礙物會嚴重影響機器人的工作效率，碰撞時更會使機器人損壞，所以實現(xiàn)機器人的自動避障非常重要。本論文在分析了智能移動機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距的移動機器人的模糊避障系統(tǒng)，詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性，采用單片機at89c52為核心，用超聲波測距的方法檢測障礙物，通過單片機

3、對信號的處理，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向，左右前進與后退，從而達到自動避障的功能。通過實踐得出模糊避障控制機理和策略易于接受和理解，便于應(yīng)用開發(fā)，模糊避障算法對環(huán)境有很大的適應(yīng)性，機器人能在不同的環(huán)境條件下實現(xiàn)了避障。關(guān)鍵詞： at89c52單片機；移動機器人；超聲波傳感器；超聲波測距1 引言隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，自主移動機器人以其靈活和智能等特點，在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來越廣泛。移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(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)。隨著計算機科學的發(fā)展可以通過單片機控制來實現(xiàn)對其行駛方向、啟動、停止以及速度的控制，無需人工干預，操作人員可以通過修改移動機器人的控制程

4、序來改變它的行駛方式。移動機器人的避障運動一直是一個重要課題，實現(xiàn)避障的方法主要有超聲波避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達等。目前超聲波避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到實用的要求，因此成為常用的避障方法。本研究提出了基于超聲波測距的機器人模糊避障研究，從而獲得了有效的實驗結(jié)果。1.1選題的背景及意義 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等

5、等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人超聲波是頻率高于20khz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、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覺上限而得名。一般認為超聲波的發(fā)現(xiàn)是意大利科學家斯帕拉捷，他習慣晚飯后到附近的街道上散步。他常?？吹剑芏囹痨`活的在空中飛來飛去，卻從不會撞到樹上或者墻壁上。這個現(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，一個晴朗的夜晚，喧騰熱鬧的城市漸漸平靜下來。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。當他看到放出去的幾只蝙蝠輕盈敏捷地來回飛翔時，不由得驚叫起來。因為那幾只蝙蝠，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呢？原來，每當他看到蝙蝠在夜晚輕巧自如的飛翔時，總認為這些小精靈一定長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各種障礙物，并且敏捷的捕捉飛蛾了。然而事實完全出乎他的意料，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。他又捉來幾只蝙蝠，

7、用油漆涂滿它們的全身，然而還是沒有影響到它們飛行。 最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它們放到夜空中。這次，蝙蝠可沒有了先前的神氣，它們像無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，原來是靠聽覺來辨別方向、確認目標的！ 斯帕拉捷的實驗，揭開了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽”到?jīng)]有聲音的物體呢？ 后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人耳聽不見的“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。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、人們利用超聲波來為飛機、輪船導航，尋找地下的寶藏。超聲波就像一位無聲的功臣，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想到，自己的實驗，會給人類帶來如此巨大的恩惠。1.2 機器人的發(fā)展綜述隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其計算機技術(shù)的突飛猛進，帶動了其他的技術(shù)的不斷的發(fā)展，機器人就是一個典型的例子。機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(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。人們在對自然的不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。機器人的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器

9、人的歷史才真正開始。 英格伯格在大學攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于1946年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。1954年，德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，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器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產(chǎn)過程較為固定。1959年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，機器人正在經(jīng)歷著一個從初級到高級的飛躍，它正沿著達爾文的“進化論”逐漸發(fā)展自己，壯大自己，完善自己

10、。研制具有人類外觀特征，可以模擬人類行走與基本操作功能的類人型機器人，一直是人類機器人研究的夢想之一。類人型機器人研究是一門綜合性很強的學科，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。1997年，日本本田公司率先研制出第一臺類人型步行機器人樣機。目前，機器人正在進入“類人機器人”的高級發(fā)展階段，即無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“進化”，甚至在某些方面大大超過人類，如計算能力和特異功能等。類人型機器人技術(shù)，集自動控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計算、程序設(shè)計、組合導航、信息融合等眾多技術(shù)于一體。專家指出，未來的機器人在外形方面將大有改觀，如目前的機器人大都為方腦袋、四方身體以及不成比

11、例的粗大四肢，行進時要靠輪子或只作上下、前后左右的機械運動，而未來的機器人從相貌上來看與人無區(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異，有視覺、有嗅覺、有觸覺、有思維，能與人對話，能在核反應(yīng)堆工作，能滅火，能在所有危險場合工作，甚至能為人治病，還可克隆自己和自我修復自己?？傊?，它們能在各種非常艱難危險的工作中，代替人甚至超過人類去從事各種工作。它的運用潛力將在不久的將來得到很好的驗證。而自動尋跡也是機器人領(lǐng)域研究的一個熱點，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已

12、相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標，所以在這些方面都很有研究的價值。2 超聲波測距2.1 超聲波概論超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，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)用越來越多。超聲波在介質(zhì)中傳播時在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性強、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠等特點，常用于測量物體的距離、厚度、液位等。我們知道，電磁波的傳播速度為3×108 m/s，而超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，其速度相對電磁波是非常慢的。超聲波在

13、相同媒體里傳播速度相同，即在相當大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播的，波動方程描述方法和電磁波是類似的。 a=a(x)·cos(t+kx) (2.1.1) a(x)=a0·e-x (2.1.2)式中，a(x)為振幅，a0為常數(shù)，為圓頻率，t為時間，x為傳播距離，k=2/為波數(shù)，a為波長， 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： =a·f2 (2.1.3)式中，a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中，a=2×10 ，當振動的聲波頻率f=40khz帶入式2.1.3

14、，可得 3。2×10 /cm，即1/=31m; 若f=30khz，則1/=56m，它的物理意義是：在(1/)的長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的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，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。考慮實際工程測量要求，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） 超聲波可傳遞很強的能量。 3） 超聲波會產(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，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。2.2 兩種常用的超聲波測距方案2.2

15、.1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為40khz 的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，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，控制單片機中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)框圖這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，在接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給led 顯示 。利用

16、單片機準確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲波測距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計方法。2.2.2 基于cpld 的超聲波測距系統(tǒng)這種測距系統(tǒng)采用cpld(complex programmable logic device)器件，運用vhdl(very high speed integrated circuit hardware description language)編寫程序，使用max+plusii 軟件進行軟硬件設(shè)計的仿真和調(diào)試，最終實現(xiàn)測距功能。cpld 器件內(nèi)部的宏單元是其最基本的模塊，能獨立地編程為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

17、。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、計數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由max 來實現(xiàn)，而只需在外部配上適當?shù)某暡▊鞲衅鳌⒔邮蘸桶l(fā)送電路，即可組成一個測量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測距儀。此測距系統(tǒng)利用cpld 器件控制超聲波的發(fā)射，并對超聲波發(fā)射至接收的往返時間進行計數(shù)，將計算結(jié)果在led 上顯示出來。配合使用max+plusii 開發(fā)軟件，可集設(shè)計輸入、設(shè)計處理、設(shè)計校驗和器件編程于一體，集成度高，開發(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，ma

18、x7128s 內(nèi)的計數(shù)器開始計數(shù)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會立即返回來。超聲波接收器收到反射波后就將回波信號送到cpld，cpld 立即停止計數(shù)。cpld 所計的時間就是超聲波從傳感器到被測物的往返時間。超聲波在空氣中的傳播速度如設(shè)定為332m/s，根據(jù)計數(shù)器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s，即：s=332t/2。cpld 開始計數(shù)后，只要傳感器收到回波，cpld 就立即停止計數(shù)，即只有最先返回的超聲波才起作用，也就是說超聲波測距儀總是測得離傳感器最近的物體的距離。通過以上介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計簡單、方便，而且測精度能達到工業(yè)要求。本課題研

19、究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s=v·t/2。2.3超聲波測距的工作原理超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法；聲波幅值檢測法和往返時間檢測法。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本論文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：超聲波發(fā)生器t1在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就

20、被超聲波接收器t2所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計算公式為：s=c·t/2。其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。超聲波往返時間檢測法如圖3所示。 圖3 超聲波往返時間檢測法3 機器人的模糊避障系統(tǒng)機器人安全避障是機器人研究的重要領(lǐng)域，人們很早就開始對移動機器人的研究。斯坦福研究院(sri)的nils nilssen 和charlesrosen 等人早在20世紀70年代初就研制了shakey 的自主移動機器人，目的是應(yīng)用人工智能技術(shù)研究機器人在復雜環(huán)境下的自

21、主推理、規(guī)劃和控制。20 世紀70 年代末，隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動機器人的研究又出現(xiàn)了新的高潮。20 世紀90 年代以來，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)性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標準，開展了移動機器人更高層次的研究。避障是智能移動機器人基本的功能，具體的實現(xiàn)方法多種多樣。避障使用的傳感器主要有激光傳感器、視覺傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器等。3.1 移動機器人的避障傳感器3.1.1 激光傳感器激光測距傳感器的方向性特別好，對一般應(yīng)用可以認為是理想的直線。激光測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確位置。激光測距的精確度很

22、高，但是激光測距的技術(shù)復雜，實現(xiàn)難度較大，且一些激光傳感器發(fā)射的激光，對人的眼睛有傷害。3.1.2 視覺避障視覺避障的優(yōu)點是探測范圍廣，可以獲得物體的形狀、速度等信息。實際應(yīng)用中使用多個攝像機，或是利用一個攝像機的序列圖像來計算目標的距離和速度，還可采用ssd算法，根據(jù)一個攝像機的運動圖像來計算機器人與目標的相對位移，并用自適應(yīng)濾波對測量數(shù)據(jù)進行處理，以減小因環(huán)境不穩(wěn)定性造成的測量誤差。在圖像處理中，邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計算量大，實時性差，對中央處理機要求高，不適合在較小的自主移動機器人上使用。視覺測距法檢測不能檢測到玻璃等透明障礙物的存在，另外受視場光線強弱、煙霧的影響很大。3.

23、1.3 超聲傳感器超聲傳感器的成本低，實現(xiàn)方法簡單，技術(shù)成熟，是機器人避障的常用傳感器。機器人是利用超聲測距來探測障礙的位置，超聲波測距采用時間差測距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計時器記錄的時間，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離，。由于超聲波在空氣中的速度和空氣的溫度濕度有關(guān)，在比較精確的測量中，可以把溫度的變化和其它因素考慮進去。超聲避障實現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動機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

24、造成對障礙物的定位不精確，存在探測盲區(qū)等缺點。特別是當超聲傳感器和障礙形成一定角度時會產(chǎn)生幻影導致機器人得到錯誤的信息，從而發(fā)生碰撞。本文采用多個傳感器的模糊避障算法來克服超聲傳感器的幻影干擾，實現(xiàn)機器人的安全避障。3.2 避障系統(tǒng)設(shè)計思想 移動機器人感知環(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，因此移動機器人的安全避障成為當今機器人研究領(lǐng)域的一個焦點問題和難點問題。安全避障具體的實現(xiàn)方法有很多種，超聲避障實現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動機器人常用的避障方法，但超聲避障存在一些缺點，如存在探測盲區(qū)等，特別是當超聲傳感器和障礙形成一定角度時會產(chǎn)生幻影導致機器人得到錯誤

25、的信息，從而發(fā)生碰撞。本文采用多個傳感器的模糊避障算法來克服超聲傳感器的幻影干擾，實現(xiàn)機器人的安全避障。 3.2.1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，利用物體界面上超聲反射來檢測障礙物。超聲波在空氣中傳播時如果遇到其它媒介，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)分析檢測到的反射波來獲取障礙物信息。超聲傳感器發(fā)出的超聲波，是具有一定方向性的波束，當超聲傳感器和障礙物形成一定角度時，會發(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，雖然障礙物和機器人很近，但是由于幻影的產(chǎn)生，機器人誤認為障礙物很遠，機器人就會和障礙物發(fā)生碰撞。圖4 幻影產(chǎn)生示意圖由于幻影的

26、存在，實驗采用多個超聲傳感器，消除幻影的干擾。超聲傳感器的位置排列如圖5所示，移動機器人中間的六個超聲傳感器信號，即1號到6號的超聲信號，每個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)計機器人運動的環(huán)境非常復雜，而且一般情況下是未知的，因此很難建立精確的數(shù)學模型來預測障礙物的位置。采用模糊控制算法非常適合移動機器人的避障，模糊控制器的輸入是超聲傳感器的距離信號，輸出是機器人的動作，規(guī)定機器人只能有前進或旋轉(zhuǎn)兩種運動方式。根據(jù)一定控制策略，建立輸入輸出的模糊語言集合和模糊控制規(guī)則。 輸入輸出的模糊語言：模糊控制器的輸

27、入?yún)?shù)是機器人六個超聲傳感器檢測到的距離信號。把六個超聲傳感器的輸入信號分為左右兩組，每組三個，即機器人左邊三個超聲傳感器為左組，機器人右邊三個超聲傳感器為右組。每次讀入左組三個超聲傳感器測得的距離信號，選取其中最小的一個數(shù)值作為左邊的輸入，左邊的數(shù)值用left表示。同樣，每次讀入右組三個超聲傳感器測得的距離信號，選取其中最小的一個數(shù)值作為右邊的輸入，右邊的數(shù)值用right表示。距離信號的模糊語言集合如下： 近，中，遠設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，并記作： nd(near distance)= 近md(middle distance)= 中l(wèi)d(long distance)= 遠距離參數(shù)的隸屬度函數(shù)如

28、圖6所示，圖中橫坐標為距離信號，單位為厘米，縱坐標是隸屬度。為了計算簡單，采用了線性函數(shù)，可以減少控制器的計算負擔，提高數(shù)據(jù)處理速度。模糊控制器的輸出為機器人旋轉(zhuǎn)或前進，輸出的模糊語言集合如下： 右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，前進，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，圖中橫坐標為旋轉(zhuǎn)的角度大小，向左為正方向，向右為負方向，縱坐標是

29、隸屬度。同樣為了減少計算工作量，提高運算速度，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表示機器人右側(cè)與障礙物的距離，dl表示機器人左側(cè)與障礙物的距離，u表示輸出，機器人的避障規(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4.1超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計超聲波測距部分是機器人避障的核心部分。本設(shè)計采用at89c52或at89s52單片

30、機，晶振:12m，單片機用p1.0口輸出超聲波換能器所需的40k方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號，顯示電路采用簡單的4位共陽led數(shù)碼管，斷碼用74ls244，位碼用8550驅(qū)動。單片機通過p1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測int0引腳，當int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本設(shè)計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 超聲波測距器系統(tǒng)框圖單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控

31、制器(microcontroller)。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非常活躍且頗具生命力的機種。通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件cpu(central processing unit，中央處理器)、存儲器和i/o 接口電路等。因此，單片機只需要與適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。4.2 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)at89c52是51系列單片機的一個型號，它是atmel公司生產(chǎn)的。at89c52是一個低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)

32、存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大的at89c52單片機可以提供許多較復雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 at89c52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，at89c52可以按照常規(guī)方法進行編程,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存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 at89c52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示

33、。圖9 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3單片機最小系統(tǒng)電路 對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、晶振電路、復位電路。at89c52單片機最小系統(tǒng)的電路如圖10 所示。 圖10 at89c52單片機的最小系統(tǒng)復位電路：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，當系統(tǒng)一上電，rst腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的rc值來決定。典型的51單片機當rst腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合rc的取值就可以保證可靠的復位。晶振電路：在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行

34、都是建立在這個基礎(chǔ)上，晶振提供的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快。典型的晶振取值為11.0592mhz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場合)/12mhz(產(chǎn)生精確的us級時歇，方便定時操作)。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。40khz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機p1.0端口輸出40khz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠， 40khz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由7

35、4hc04 組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器t以聲波形式發(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進行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片cx20106，得到一個負脈沖送給單片

36、機的r( int0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。接收部分的電路，如圖12所示?？梢钥吹剑尚酒琧x20106 在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、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 khz與測距的超聲波頻率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)計用它來做接收電路。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。工作過程如下: 接收的回波信號先經(jīng)過前置放大

37、器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當接收到與cx20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，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)計方案一：選用lcd1602顯示屏lcd1602液晶顯示,由單片機驅(qū)動.它主要用來顯示大量數(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

38、顯示屏 方案二：選用點陣顯示點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，主要用來顯示漢字，同時也能顯示數(shù)字和少量圖象,但它的焊接較麻煩,價格高，鑒于所設(shè)計的題目要求它不切實際。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)動的程序簡單，多片七段譯碼器驅(qū)動顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機多個i/o口，也給電路的焊接帶來一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案四：采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示led數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示價格低廉，不僅減少了對i/o口的浪費，而且能夠同時驅(qū)動多個數(shù)碼管。其驅(qū)動程序容易編寫和理解。當顯示內(nèi)容不太多，可以排除；

39、經(jīng)過四種方案的比較以及本系統(tǒng)實際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個內(nèi)容，上述的lcd液晶顯示比較妥善，我們選擇性價比相對高的lcd1602液晶。4.7機器人避障的硬件系統(tǒng)移動機器人硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、車速檢測模塊、直流電機驅(qū)動模塊、路徑模糊避障模塊、顯示模塊、單片機模塊等組成。路徑模糊避障模塊將采集到的路面障礙物與車體位置的信息、轉(zhuǎn)速測量模塊測得的車速信息通過各自的接口送到單片機。單片機則根據(jù)這些信息，通過相應(yīng)的軟件算法對舵機與直流驅(qū)動電機進行控制，進而完成對小車方向與速度的控制，電源模塊則向各個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

40、和障礙物相對于車體的方位。移動機器人運行過程中，實時采集每個方向上超聲波傳感器中心到障礙物的邊界距離，進行比較劃分找到其中最短的距離及方位作為車體到障礙物的最短距離和方位。避障算法如下：移動機器人以某一速度前進，如果某一傳感器檢測到的距離符合r1 r9某個規(guī)則，那么機器人就根據(jù)程序選擇繞開障礙物或繼續(xù)前進。避障軟件實現(xiàn)的步驟包括主程序、測距程序、顯示程序、電機轉(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)計單片機編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應(yīng)外

41、部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然后通過軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出p0、p1和p2口顯示。程序流程圖如圖15，(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(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，移動機器人以某一速度前進，如果某一傳感器檢測到的距離小于某個值，這個值是預定義可編程的臨界距離，那么機器人以某一角度偏轉(zhuǎn)，從而繞開障礙物繼續(xù)前進。機器人在行駛過程中如果遇到障礙物，它的超聲波測距系統(tǒng)馬上計算出機器人與障礙物的距離d，若d<dc(避障的臨界距離，其中dc為程序預設(shè)值)，電機左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動，從而繞過障

42、礙物實現(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，超聲傳感器的測量值與實際值會有一些偏差，表2為超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值（單位: cm） 障礙物實際距離（cm） 測量距離（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 超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值（單位: cm）從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值總是比實際值大出大約7cm，經(jīng)過分析原因主要有三個方面：第一方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運行需占用一定的時

43、間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號的干擾，單片機開始計數(shù)時，驅(qū)動電路發(fā)送16 個脈沖串。對于單個回聲的方式，當驅(qū)動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數(shù)，所以最終測得的時間比實際距離所對應(yīng)的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差，我們采用最小二乘法對表1 的數(shù)據(jù)進行修正。經(jīng)過擬合，我們得到下面的方程：y=1.0145x- 9.3354( 其中: y 為實際值, x 為測量值)修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應(yīng)關(guān)系如表3 所示:障礙物實際距離（cm） 測量距離（cm）45 46.8 60 58.5 75 74.9 100 99.4 125 12

44、4.1 150 150.2 175 175.7 200 200.1表3 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 （單位：cm）從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出, 系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內(nèi), 滿足我們的測量要求。本課題介紹了一種基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的原理和設(shè)計。給出了硬件和軟件的設(shè)計方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測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)計測距電路。單片機是本系統(tǒng)的控制部分，采用atmel 公司生產(chǎn)的at89c52 芯片。驅(qū)動超聲波傳感器的40khz 的方波信號，就是由單片機編程產(chǎn)生的。通

45、過對單片機產(chǎn)生的方波信號進行放大，以驅(qū)動傳感器工作。接收電路采用的是lm741，通過接收電路對接收到的信號進行放大和整形，最終再輸出負脈沖給單片機響應(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，并用單片機軟件譯碼。單片機內(nèi)部采用c 語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時間差的讀取、距離的計算以及顯示輸出的譯碼都由單片機編程完成。本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點。測距范圍從20cm 到200cm，測量精度在±10cm 內(nèi)。測距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場和自動控制場合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學習中

46、會進一步改進。總體來說，最重要的是在本課題的設(shè)計過程中我學到了很多知識，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學會了各種放大電路的分析、設(shè)計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設(shè)計電路的方法。對一塊電路板的設(shè)計、焊板、調(diào)試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。這些對我今后的學習和工作都會有很大幫助的。本文實現(xiàn)了利用超聲波測距信息來實現(xiàn)移動機器人的順利避障行走，是因為超聲波測距儀信息處理簡單、速度快，但它也具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在探測波束角過大、方向性差、只能獲得目標的距離信息，而不能準確地提供目標的邊界信息等，故需要對數(shù)據(jù)的融合算法進行進一步的研究，以消除它的缺陷。致謝首先感謝我的

47、導師*老師，在*的耐心指導和幫助下，我才能順利完成畢業(yè)設(shè)計。從電路的設(shè)計到調(diào)試整個過程中，我都從*那里學會了很多專業(yè)方面的知識。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學習成果。雖然在這次設(shè)計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個月的設(shè)計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，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)計中幫助過我的所有同學和師兄師姐們，感謝你們對我的支持。由于自身水平有限，設(shè)計中難免存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。參考文獻1 沙愛軍. 基于單片機的超聲波

48、測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計j.北京:電子科技,2009(11).2 宋長套,趙國象,任領(lǐng). 移動機器人超聲波避碰傳感器系統(tǒng)設(shè)計j .計算機測量與控制,2006,(12) .3 李淑萍. 基于單片機at89s52的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計j.北京:自動化與儀器儀表,2009(3).4 王維斌. 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計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機器人探測系統(tǒng)j.測控技術(shù),2004,23(6).6 栗桂鳳,周東輝,王光聽. 基于超聲波傳感器的機器人環(huán)境探測系統(tǒng)j.傳感器技術(shù),2005,24(4).7 舒紅宇,王曉軍,陳竹,馮或. 電動代步車用超聲波

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52、波測距系統(tǒng)電路圖附錄2系統(tǒng)主程序/*包含頭文件*/#include<intrins.h>#include<reg52.h>#define nop _nop_();_nop_();_nop_()#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*位定義*/sbit csb=p36;sbit green=p23;sbit yellow=p24;sbit red=p25;bit flag_1=0; uchar vo_vo=0xe7;uint speed=340;#in

53、clude"delay.c"/#include"sound.c"#include"12864.c"#include"display.c"#include"ds18b20.c"#include"sound.c"#definenop_nop_()float distance;uint count=0;uchar high_time,low_time,flag=0,tc=2;uchar flag_2=0; uchar tc_say=0; ulong dis,dis_43;/*函數(shù)名：float distance_count()功能：距離計算函