【正文】 機(jī) 器人的各種運(yùn)動(dòng)。 移動(dòng)機(jī)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(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。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(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)強(qiáng)，尤其是在陽(yáng)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)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(cè)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(chēng)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(cè)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(gè)探頭反射、一個(gè)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(gè)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(shí)，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(diǎn)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)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(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)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(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。如超聲波傳感器，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是諧振器以及，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)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?jī)?nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開(kāi)口端，并且使用樹(shù)脂進(jìn)行覆蓋。對(duì)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)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(qiáng)的超聲波輻射。 超聲波傳感器及其測(cè)距原理超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)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(chēng)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(gè)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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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(dòng)機(jī)器人與被測(cè)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(duì)溫度，c0=331．4m／s。在不要求測(cè)距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時(shí)間法主要是測(cè)量超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔t，即“渡越時(shí)間”，然后根據(jù)式(1)計(jì)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(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為D，則在D時(shí)間內(nèi) 從物體反射回的信號(hào)就無(wú)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(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信 號(hào)的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍。此超聲波最近可以測(cè)量37cm。系統(tǒng)程序流程圖如圖53所示：圖53 超聲波測(cè)距程序流程圖工作時(shí)，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。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(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號(hào)識(shí)別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號(hào)， 可以檢測(cè)，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(gè)超聲傳感器，其編號(hào)為1～16(逆時(shí)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(jī)發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。此控制信號(hào)經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)信號(hào)(1NIT)，超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時(shí)返回的高頻振蕩信號(hào)經(jīng)放大(為彌補(bǔ)傳播過(guò)程中信號(hào)的衰減)使超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的ECHO端產(chǎn)生高電平脈沖。ECHO電平變化經(jīng)過(guò)門(mén)電路后引起單片機(jī)外部中斷，在中斷程序內(nèi)獲取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，根據(jù)式(1)計(jì)算距離；否則，認(rèn)為傳感器前方探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)障礙物。 因?yàn)槌晜鞲衅髦g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(shí)發(fā)射，必然會(huì)有干擾。如果采用輪循方式，即一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射超聲波，雖然可以消除串?dāng)_回波的影響，但是16個(gè)超聲傳感器輪循一次周期較長(zhǎng)，降低了采集頻率。為了在不降低采集頻率的同時(shí)消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將16個(gè)超聲傳感器分成A(1115)和B(1116)兩組，因?yàn)橥唤M內(nèi)的兩個(gè)超聲傳感器安裝位置相差45176。，通過(guò)計(jì)算可以知道，這種情況下超聲傳感器同時(shí)工作不會(huì)產(chǎn)生干擾，因而每一組里的超聲傳感器同時(shí)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(shí)也滿(mǎn)足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。每組8個(gè)超聲傳感器的ECHO端分別連接到一門(mén)電路，然后通過(guò)門(mén)電路連接DSP的XINTl和XINT2端。XINTl／2引腳電平發(fā)生跳變時(shí)會(huì)產(chǎn)生外部中斷，通過(guò)I／0口可以知道是哪個(gè)或哪幾個(gè)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(jì)上采用兩個(gè)定時(shí)器依次工作，分別對(duì)兩組傳感器進(jìn)行計(jì)時(shí)。選擇定時(shí)器的周期比超聲傳感器探測(cè)最大距離所需的渡越時(shí)間稍長(zhǎng)。在每個(gè)定時(shí)器周期開(kāi)始時(shí)，觸發(fā)一組超聲傳感器同時(shí)開(kāi)始工作。在定時(shí)器周期內(nèi)，每個(gè)回波返回，都會(huì)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(shí)間進(jìn)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(jiǎn)短，指令執(zhí)行速度很快，因而即使因進(jìn)入外部中斷處理程序而延誤了對(duì)后來(lái)回波的處理，由此引入的距離誤差根據(jù)(1)106m?？梢?jiàn)誤差非常小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，對(duì)于距離大于最大超聲探測(cè)范圍的，沒(méi)有相應(yīng)的時(shí)間記錄，給它們加上超出測(cè)距范圍的標(biāo)志。其它的時(shí)間數(shù)據(jù)都有記錄，根據(jù)(1)式計(jì)算距離，然后啟動(dòng)下一個(gè)定時(shí)器工作，并觸發(fā)下一組超聲傳感器。圖54只畫(huà)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(cè)距數(shù)據(jù)采集程序框圖超聲數(shù)據(jù)采集板發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)以中斷的方式完成。本系統(tǒng)共有16個(gè)超聲傳感器，共有32個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)所有測(cè)距值。CAN總線傳輸所有測(cè)距值需要4個(gè)數(shù)據(jù)幀才能傳送完。本系統(tǒng)的通訊過(guò)程為：中央控制器發(fā)送遠(yuǎn)程請(qǐng)求，超聲數(shù)據(jù)采集板進(jìn)入接收中斷，在中斷服務(wù)程序內(nèi)，采用查詢(xún)方式發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)包含4個(gè)超聲傳感器的測(cè)距值。本系統(tǒng)采用的波特率是500kbps。單片機(jī)接收中央控制器的遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀，并發(fā)送測(cè)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(xiě)。當(dāng)機(jī)器人需要新的測(cè)距值時(shí)，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(cuò)，若有錯(cuò)，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(cè)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(duì)超聲波機(jī)器人的避障分析與研究，提出多種方案，并進(jìn)行對(duì)比排除，選擇最優(yōu)方案。通過(guò)本文得出此機(jī)器人有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 智能機(jī)器人是輪式運(yùn)動(dòng)，使智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活；2. 本文采用圓柱式兩級(jí)分流式減速箱，價(jià)格便宜，軸承受載較均勻，壽命長(zhǎng)；3. 本文采用差動(dòng)算法，此算法簡(jiǎn)單，易懂，適用于初學(xué)者對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究；4. 本文采用了步進(jìn)電機(jī)，容易控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；5. 本文采用單片機(jī)為控制系統(tǒng)，價(jià)格便宜，編程簡(jiǎn)單，穩(wěn)定。而由于實(shí)際情況限制，本智能機(jī)器人還有許多缺點(diǎn)：1. 因?yàn)闆](méi)有硬件材料，許多情況都沒(méi)法考慮，例如，沒(méi)法對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，不知道實(shí)際環(huán)境是否適合機(jī)器人的運(yùn)行。2. 由于機(jī)器人價(jià)格實(shí)惠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，所以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精確度不高，穩(wěn)定性差。3. 此機(jī)器人底盤(pán)太低，不適合室外活動(dòng)。4. 此機(jī)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(huì)對(duì)人身造成傷害。本文，采用的很多結(jié)構(gòu)太理論化，沒(méi)有在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。但因?yàn)槭且詫W(xué)習(xí)為主，通過(guò)研究，掌握了理論上機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制方式。機(jī)電的結(jié)合也充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)。致 謝經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)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(gè)設(shè)計(jì)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(jì)的每個(gè)階段，從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過(guò)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(jì)的同學(xué)，他在本次設(shè)計(jì)中勤奮工作，克服了許多困難來(lái)完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，并承擔(dān)了大部分的工作量。如果沒(méi)有他的努力工作，此次設(shè)計(jì)的完成將變得非常困難。 然后還要感謝大學(xué)三年來(lái)所有的老師，為我們打下機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。 最后感謝工學(xué)院和我的母?！陙?lái)對(duì)我的大力栽培。參考文獻(xiàn)[1] 方建軍，何廣平. 智能機(jī)器人——光機(jī)電一體化叢. 化學(xué)工業(yè)出版社，200421[2] 張謙琳, 超聲波檢測(cè)原理和方法. 北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社，[3] 李朝青, 單片機(jī)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(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè). 化學(xué)工業(yè)出版社, 200511[7] 王興松. 精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng). 科學(xué)出版社, 200981[8] 張春宜. 減速器設(shè)計(jì)實(shí)例精解. 機(jī)械工業(yè)出版社, 201011[9] 張寶珠. 齒輪加工速查手冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社, 201011[10] 于惠力. 軸系零部件設(shè)計(jì)實(shí)例精解. 機(jī)械工業(yè)出版社, 200981[11] 劉澤九. 滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社, 200611[12] 李智勇，謝玉蓮. 機(jī)械裝配技術(shù)基礎(chǔ). 科學(xué)出版社, 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