【正文】 圍環(huán)境對于超聲波的影響也不大，所以超聲避障成為移動機器人常用的避障方法 [7]。 為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。 超聲波 測距特點 超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。當兩極外加脈沖信號，其頻率等于晶體的固有頻率時，壓電芯片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。壓電式超聲波發(fā)生器實際是利用壓電陶瓷晶體的諧振來工作的。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性不相同，因而用途也也不相同。電氣方式包括壓 電式、磁致伸縮型和電動型等。（超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，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)，即： s=340t/2） 超聲波傳感器的分類 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制造了許多超聲波發(fā)生器。這與雷達測距原理相似。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應用 [7]。 超聲波測距的原理 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩 和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。該方法被廣泛應用于移動機器人中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 的研究上。此種測試方案反應速度大約在 5us。 后采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。 開始時采用發(fā)光二極管 +光敏電阻，但是該方法缺點明顯：易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響。 單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)確定黑線 的位置和小車的行走路線。 光電傳感器的選擇 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，通常采取的方法是紅外探測法。正常情況 下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 10 光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。 光電傳感器的分類和工作 方式 槽型光電傳感器 把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。 此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導纖維。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。 H 橋式電機驅(qū)動電路包括 4 個三極管和一個電機。 表 1 L298N 的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 Q1N P N9 0 1 3Q2N P N9 0 1 3R11kR21 0 kR31kR41 0 kQ3N P N8 0 5 0Q4N P N8 0 5 0Q5P N P8 5 5 0Q6P N P8 5 5 0D14 1 4 8D24 1 4 8D34 1 4 8D44 1 4 8 圖 2 H 橋式電路 橋式電路工作原理 電路得名于 “H 橋式驅(qū)動電路 ”是因為它的形狀酷似字母 H。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。采 用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。對照表 1 通過單片機的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。能實現(xiàn)前進、后退、向右、向左、加速五個功能，但是其采用的是編碼輸 入控制，而不是電平控制，這樣在程序中實現(xiàn)比較麻煩，而且該電機模塊價格比較高，所以放棄。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 7 驅(qū)動選擇 開始時想采用 SM6135W 電機遙控驅(qū)動模塊。 雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，如可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位但是步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。對于直流電機的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用 PWM 調(diào)速方法。而自己制作車版成本比較高，且比較粗糙，對于白色基板上的道路面行駛，車身重量以及平衡都要有精確的測量，而且也要控制好小車行駛的路線和轉(zhuǎn)彎的力矩及角度，這些都比較難良好地實現(xiàn)。后面 1 個車輪有軸承，為整個小車提供方向，所以又稱后面的輪子為方向輪，驅(qū)動的兩個輪子為驅(qū)動輪。其中前面兩個車輪由前輪電機控制， 在信號控制下前后擺動，來調(diào)節(jié)小車的前進方向和為小車提供動力。這樣做的優(yōu)點是：簡單有效，降低了總體設計的成本。通過對電路的優(yōu)化組合，可以最大限度地利用 51 單片機的全部資源。采用紅外光電傳感器檢測路面黑線及障礙物，應用超聲波傳感器 測距，利用單片機控制電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。這種技術(shù)促使機器人技術(shù)也有了突飛猛進的發(fā)展，目前的機器人技術(shù)發(fā)展異常迅速，已經(jīng)出現(xiàn)了各種各式的用于各種用途的機器人了，機器人的設計與制造已經(jīng)不是很高難度的事情了，已經(jīng)具有普及性了。根據(jù)實際設計制作基于 STC89C52 單片機智能小車的過程，在智能小車的自動循線、避障、檢測、控制、顯示等方面提出一些見解。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。 現(xiàn)今社會智能小車發(fā)展很快，從智能 玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。 智能小車的現(xiàn)狀 智能小車作為移動式機器人的一個重要分支，隨著機器人研究的深入受到越來越多人的關(guān)注。 采用先進、可靠的傳感器和計算機技術(shù)實現(xiàn)智能機器人的避障研制 , 傳感器融合技術(shù)近年來被引入到了機器人導航研究中，并已取得令人振奮的成果，采用常規(guī)傳感器導航的移動機器人將成為機器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向 [5]。要實現(xiàn)移動機器人更高的智能化，機器人在行走和探索的過程中，避障行為是必不可少的。 小車避障現(xiàn)狀綜訴 避障的目標就是沒有人的干預下使機器人有目的地移動并完成特定任務，進行特定操作。哈爾濱工業(yè)大學于 1996 年研制成功的導游機器人等 [1]。中國科學院沈陽自動化研究所得 AGV 和防暴機器人 。涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究；路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究；智能移動機器人的設計和實現(xiàn)。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 4 國內(nèi)移動機器人的狀況 在國內(nèi)，從“七五”開始，我國的移動機器人研究開始起步，經(jīng)過多年來的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成績。德國研制了一種輪椅機器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中和 1998年漢諾威工業(yè)商品展覽會大廳環(huán)境中進行了超過 36 小時的考驗，所表出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機器人和移動機器人所不可比的。 2020 年，美國 nasa 又派出兩個火星著陸器，這兩個著陸器上各帶勇氣號和機遇號火星漫游者，到火星上采集數(shù)據(jù)．在任務期間，“勇氣”創(chuàng)造了日行 米的紀錄，打破了“ sojourner” 97 年創(chuàng)下的日行 7 米的記錄；“機遇 ”號也己成功地在火星上進行了多種科學實驗。丹蒂Ⅱ”，作為能實現(xiàn)遠程探險的高性能移動機器人，于 1994 年在斯珀火山的火山口迸行了成功的表演。如 1997 年牛津大學機器人研究小組采用分布式濾波及局部智能控制代理的系統(tǒng)模式，利用卡爾曼濾波方法融合來自攝像機、激光測距、聲納的數(shù)據(jù)信息，設計出了在已知或未知的工廠環(huán)境下工作的移動機器人 。 智能小車的現(xiàn)狀 國外移動機器人研究 到 20 世紀 90 年代，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，適應性強的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，展開了移動機器人更高層次的研究。尤其是在玩具機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。在此過程中，加深對理論知識的理解和認識。在實 踐的過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用算法實現(xiàn)小車的智能控制。 Philips 公司還為這一代單片機 80C51 系列 8ｘ C592 單片機引入了具有較強功能的設備間網(wǎng)絡系統(tǒng)總線CAN(Controller Area Network BUS)[5]。新一代的單片機的最主要的技術(shù)特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn) Microputer 完善的控制功能為己任，將一 些外部接口功能單元如 A/D﹑ PWM﹑ PCA(可編程計數(shù)器陣列 )﹑ WDT(監(jiān)視定時器 )﹑高速 I/O 口﹑計數(shù)器的捕獲 /比較邏輯等。它是第三代單片機的代表。 以 89C52 為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制智能小車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。 ATMEL 公司的 STC89C52 單片機可以廣泛的應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。 CPU使用 STC89C52 單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。單片機驅(qū)動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有 PWM 功能的單片機，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬 PWM 輸出調(diào)制，需要占用單片機資源，難以精確調(diào)速，但單片機型號的選擇余地較大 [5]?？紤]實際情況，傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的 CCD 傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器和超聲波傳感器來充當。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應用?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避 [3]。智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分 、執(zhí)行部分、 CPU。主要表現(xiàn)在大學生的各種大型的創(chuàng)新比賽，比如：亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機器人大賽 （ ABU ROBCON）、全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽等眾多重要競賽都能很好的培養(yǎng)大學生對于機電一體化的興趣與強化機電一體化的相關(guān)知識。同時，也推動了其他國家對移動機器人的研究與開發(fā) [2]。初期的研究，主要從學術(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立試驗系統(tǒng)進行驗證。美國國防高級研究計劃局（ DARPA）專門立項，制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。 Infrared Emitting Diode 目 錄 1 緒論 ............................................................................... 1 智能小車的研究與意義 ...........................................................................1 智能小車的現(xiàn)狀 .......................................................................................3 國外移動機器人研究 ....................................................................3 國內(nèi)移動機器人的狀況 ................................................................4 小車避障現(xiàn)狀綜訴 ........................................................................4 智能小車的現(xiàn)狀 ............................................................................4 論文研究內(nèi)容與主要結(jié)構(gòu) .......................................................................5 基于單片機控制的智能循跡避障小車 .......................