【正文】 機 器人的各種運動。 移動機器人的超聲波原理 超聲波的結(jié)構(gòu)及原理超聲波[15]是頻率高于20000赫茲的聲波，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(yuǎn)，可用于測距，測速，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覺上限而得名。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)強，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 圖51 超聲波感應(yīng)器以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功 能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。結(jié)構(gòu)與工作原理：當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當(dāng)振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。如超聲波傳感器，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。對應(yīng)用于工業(yè)機器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達(dá)到 1 mm，并且具有較強的超聲波輻射。 超聲波傳感器及其測距原理超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為 超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原 理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即　D=ct／2 　　　　　　　　　 　　其中D為移動機器人與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為： 　　其中，T為絕對溫度，c0=331．4m／s。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔t，即“渡越時間”，然后根據(jù)式(1)計算距離。 　超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角，如圖52所示：圖52 波束角超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時間為D，則在D時間內(nèi) 從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信 號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。系統(tǒng)程序流程圖如圖53所示：圖53 超聲波測距程序流程圖工作時，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體 的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號， 可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r表明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷關(guān)閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。超聲波傳感器在相隔為22．5176。的同一環(huán)上均勻分布著16個超聲傳感器，其編號為1～16(逆時針安排)，超聲傳感器波束角為30176。，超聲傳感器的最小作用距離為0．45m。單片機發(fā)出控制信號，啟動內(nèi)部定時器進行計時。此控制信號經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動電路的啟動信號(1NIT)，超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時返回的高頻振蕩信號經(jīng)放大(為彌補傳播過程中信號的衰減)使超聲傳感驅(qū)動電路的ECHO端產(chǎn)生高電平脈沖。ECHO電平變化經(jīng)過門電路后引起單片機外部中斷，在中斷程序內(nèi)獲取定時器的計數(shù)值，根據(jù)式(1)計算距離；否則，認(rèn)為傳感器前方探測范圍內(nèi)無障礙物。 因為超聲傳感器之間的安裝位置相差22．5176。，而超聲傳感器的波束角為30176。，如果超聲波同時發(fā)射，必然會有干擾。如果采用輪循方式，即一個接一個地發(fā)射超聲波，雖然可以消除串?dāng)_回波的影響，但是16個超聲傳感器輪循一次周期較長，降低了采集頻率。為了在不降低采集頻率的同時消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將16個超聲傳感器分成A(1115)和B(1116)兩組，因為同一組內(nèi)的兩個超聲傳感器安裝位置相差45176。，通過計算可以知道，這種情況下超聲傳感器同時工作不會產(chǎn)生干擾，因而每一組里的超聲傳感器同時工作，組與組之間則采用輪循方式工作。這樣既可以達(dá)到很高的采集頻率，同時也滿足了系統(tǒng)的實時性要求。每組8個超聲傳感器的ECHO端分別連接到一門電路，然后通過門電路連接DSP的XINTl和XINT2端。XINTl／2引腳電平發(fā)生跳變時會產(chǎn)生外部中斷，通過I／0口可以知道是哪個或哪幾個傳感器引起中斷。 超聲傳感器被分為兩組，兩組循環(huán)交替工作。軟件設(shè)計上采用兩個定時器依次工作，分別對兩組傳感器進行計時。選擇定時器的周期比超聲傳感器探測最大距離所需的渡越時間稍長。在每個定時器周期開始時，觸發(fā)一組超聲傳感器同時開始工作。在定時器周期內(nèi)，每個回波返回，都會觸發(fā)一次外部中斷(XINTl或XINT2中斷)，在外部中斷處理程序內(nèi)，將超聲波返回時間進行紀(jì)錄，并將相應(yīng)的超聲傳感器關(guān)閉。外部中斷處理程序非常簡短，指令執(zhí)行速度很快，因而即使因進入外部中斷處理程序而延誤了對后來回波的處理，由此引入的距離誤差根據(jù)(1)106m。可見誤差非常小，可以忽略不計。當(dāng)定時器中斷時，對于距離大于最大超聲探測范圍的，沒有相應(yīng)的時間記錄，給它們加上超出測距范圍的標(biāo)志。其它的時間數(shù)據(jù)都有記錄，根據(jù)(1)式計算距離，然后啟動下一個定時器工作，并觸發(fā)下一組超聲傳感器。圖54只畫出了一組超聲傳感器的處理框圖，另一組與此相，不再贅述。圖54 超聲測距數(shù)據(jù)采集程序框圖超聲數(shù)據(jù)采集板發(fā)送測距數(shù)據(jù)以中斷的方式完成。本系統(tǒng)共有16個超聲傳感器，共有32個字節(jié)存儲所有測距值。CAN總線傳輸所有測距值需要4個數(shù)據(jù)幀才能傳送完。本系統(tǒng)的通訊過程為：中央控制器發(fā)送遠(yuǎn)程請求，超聲數(shù)據(jù)采集板進入接收中斷，在中斷服務(wù)程序內(nèi)，采用查詢方式發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)包含4個超聲傳感器的測距值。本系統(tǒng)采用的波特率是500kbps。單片機接收中央控制器的遠(yuǎn)程請求幀，并發(fā)送測距數(shù)據(jù)值。 超聲數(shù)據(jù)采集板數(shù)據(jù)發(fā)送程序框圖中央控制器接收子程序由VC++編寫。當(dāng)機器人需要新的測距值時，即調(diào)用此子程序。接收程序收到一幀數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否有錯，若有錯，則向采集板發(fā)送命令，要求重發(fā)此幀數(shù)據(jù)；若正確，發(fā)送確認(rèn)命令，要求采集板發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，直到所有的超聲測距數(shù)據(jù)都接收完。圖56 中央控制器接收子程序框圖結(jié) 論本文針對超聲波機器人的避障分析與研究，提出多種方案，并進行對比排除，選擇最優(yōu)方案。通過本文得出此機器人有以下優(yōu)點：1. 智能機器人是輪式運動，使智能機器人運動靈活；2. 本文采用圓柱式兩級分流式減速箱，價格便宜，軸承受載較均勻，壽命長；3. 本文采用差動算法，此算法簡單，易懂，適用于初學(xué)者對移動機器人的研究；4. 本文采用了步進電機，容易控制，結(jié)構(gòu)簡單；5. 本文采用單片機為控制系統(tǒng)，價格便宜，編程簡單，穩(wěn)定。而由于實際情況限制，本智能機器人還有許多缺點：1. 因為沒有硬件材料，許多情況都沒法考慮，例如，沒法對程序進行調(diào)試，不知道實際環(huán)境是否適合機器人的運行。2. 由于機器人價格實惠、結(jié)構(gòu)簡易，所以機器人的運動精確度不高，穩(wěn)定性差。3. 此機器人底盤太低，不適合室外活動。4. 此機器人的結(jié)構(gòu)不夠完美，有太多的棱角，又是金屬結(jié)構(gòu)，可能會對人身造成傷害。本文，采用的很多結(jié)構(gòu)太理論化，沒有在實際應(yīng)用中得到驗證。但因為是以學(xué)習(xí)為主，通過研究，掌握了理論上機器人的結(jié)構(gòu)及運行控制方式。機電的結(jié)合也充分體現(xiàn)了機電一體化的優(yōu)勢。致 謝經(jīng)過兩個月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師。老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從外出實習(xí)到查閱資料，設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。 其次要感謝和我一起作畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)，他在本次設(shè)計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設(shè)計，并承擔(dān)了大部分的工作量。如果沒有他的努力工作，此次設(shè)計的完成將變得非常困難。 然后還要感謝大學(xué)三年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。 最后感謝工學(xué)院和我的母校—……年來對我的大力栽培。參考文獻[1] 方建軍，何廣平. 智能機器人——光機電一體化叢. 化學(xué)工業(yè)出版社，200421[2] 張謙琳, 超聲波檢測原理和方法. 北京：中國科技大學(xué)出版社，[3] 李朝青, 單片機原理及接口技術(shù)（第3版）.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2005101[4] 鐘約先，林亨. 機械系統(tǒng)計算機控制（第2版）.北京：清華大學(xué)出版社，200891[5] . 電子工業(yè)出版社，200791[6] 朱孝錄. 齒輪傳動設(shè)計手冊. 化學(xué)工業(yè)出版社, 200511[7] 王興松. 精密機械運動控制系統(tǒng). 科學(xué)出版社, 200981[8] 張春宜. 減速器設(shè)計實例精解. 機械工業(yè)出版社, 201011[9] 張寶珠. 齒輪加工速查手冊. 機械工業(yè)出版社, 201011[10] 于惠力. 軸系零部件設(shè)計實例精解. 機械工業(yè)出版社, 200981[11] 劉澤九. 滾動軸承應(yīng)用手冊. 機械工業(yè)出版社, 200611[12] 李智勇，謝玉蓮. 機械裝配技術(shù)基礎(chǔ). 科學(xué)出版社, 200991[13] 張毅剛, 新編MCS51單片機應(yīng)用設(shè)計（第3版）. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2006101[14] 王曉明, 電動機的單片機控制（第2版）. 北京航空航天大學(xué)出版社, 200781[15] 郭偉, 超聲檢測. 機械工業(yè)出版社, 200991附