【正文】 89C2051以及PIC），另外一種是基于555定時器來設計的。機器人可通過識別out數據反饋端的高低電平來判斷前方是否有障礙物。基于紅外接受頭來設計避障電路，方法也有很多種，但基本的原理還是統(tǒng)一的。移動機器人近距離的避障采用的是紅外線避障電路。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，但超聲波技術受干擾影響比較大，無法對近距離物體進行測量。不過對于移動機器人來說，超聲波還是目前最廉價和有效的傳感器。同時超聲波是一個20－40度角的面探測，所以可以使用若干個超聲波組成一個超聲波陣列來獲得180度甚至360的探測范圍。為避免測量數據的誤差，程序中對測距數據的處理方法是：每進行一次測距，利用時基中斷測量4次，即取得4組數據，經過處理后得到這一次測距值。采用外部中斷對回波信號進行檢測（回波信號送到單片機的為一序列方波脈沖）。本系統(tǒng)的盲區(qū)約為50cm左右超聲波盲區(qū)的解決方法：在軟件上控制脈沖發(fā)射和檢測超聲波回波信號，即程序采用脈沖測量法，由89S52的P0口控制超聲波模塊中的555定時器發(fā)生40KHz的脈沖信號，每次發(fā)射的脈沖數至少要12個完整的40KHz脈沖（程序中為20個左右）。另一個波束為有效信號，即經過被測物表面反射的回波信號。超聲波傳感器就會有一個探測盲區(qū)，這樣沒法對近距離物體探測。一個返回信號閥值接著就會被設定來接受回波信號，這個閥值會隨著時間的增加而減小，因為回波會隨著距離的增加而發(fā)散，從而強度變小。（4）超聲波的盲區(qū)問題及解決方法 超聲波測距是基于TOF原理。（1）超聲波諧振頻率發(fā)生電路、調理電路圖5 超聲波諧振頻率發(fā)生電路、調理電路NE555和電容電阻組成的電路產生40KHz的方波，以使超聲波傳感器產生諧振；而后面的CD4049則對40KHz頻率信號進行調理，加大發(fā)射驅動能力。圖4超聲波傳感器結構（3）超聲波測距系統(tǒng)的電路圖實現超聲波脈沖的實現方法有兩種：一種是基于微型單片機定時器中斷來產生超聲波發(fā)射器的40KHz的脈沖信號（主要單片機是89C2051以及PIC），另外一種是基于555定時器和電阻電容組成的電路來設計實現的，結合本系統(tǒng)的成本和器件的模塊化設計，本項目采用了555定時器和電阻電容組成的電路來設計產生40KHz的脈沖信號。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。我們在移動機器人中安裝的超聲波探頭就屬于壓電式的，壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。以下簡稱為超聲波探頭。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。這就是超聲波測距儀的機理。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。假設室溫下聲波在空氣中的傳播速度是C，測量得到的聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間是t秒，距離S可以由下列公式計算：S=Ct/2（因為聲波經過的距離是聲源與目標之間距離的兩倍）由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，公式如公式1。 各傳感器模塊的具體實現（1）脈沖回波測距法超聲波測距利用了超聲波在空氣中是以恒定的速率傳播這一特性，在已知聲波傳播速率的前提條件下，通過向被測物體發(fā)射超聲波，接受其反射回波，并記錄發(fā)射與接收之間的時間間隔，從而計算出被測物體的距離。在具體實施中，我們的掃描周期為幾十毫秒，這樣就極大地提高了整個系統(tǒng)的響應速度。在數據采集系統(tǒng)中，我們是通過掃描的方式，循環(huán)的控制路選開關，使其按照一定的順序接通每對探頭。（3）工作時序由于總共存在八對超聲波傳感器，而且為了減少對與對之間的干擾，每一對傳感器必須具有單獨的工作時間段。在這一區(qū)域內，由于傳感器自身存在的缺陷以及安裝結構的局限，使機器人對于障礙物的測量存在盲點，是測量的不可靠區(qū)域。 圖3 由三對傳感器組成的整體探測范圍以前方三組傳感器為例，我們在布置時是按照一定的尺寸要求，使三對傳感器共同組成的探測范圍完全包括了移動機器人所需通過的空間（如圖3所示）。（2）實際探測范圍由于每一個超聲波、紅外線傳感器都有其一定的信號有效范圍，因此，傳感器的整體布局就直接決定了移動機器人的實際可探測范圍，對于超聲波傳感器，其所能探測的可靠區(qū)域是指發(fā)射探頭和接收探頭共同的信號區(qū)域（如圖2）。因此，在設計中，我們選擇了超聲波傳感器和紅外線傳感器各8對。 傳感器模塊的構建在選定傳感器的基礎上，必須進一步對整個傳感模塊的工作方式加以確定。它的測量原理是基于測量渡越時間，即測量從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經目標反射后，沿原路返回到接收換能器所需的時間。⑤被測量物體的最小尺寸可以通過選擇測量用超聲波信號的波長（頻率）來決定。③測量精度高，%范圍內。主要有以下幾方面的因素：①測量方式原來簡單，便于實現。由于光線的傳播速度極快，通常難以通過簡單的裝置估算其傳播距離，因此在簡單、低成本的應用中，這類傳感器也是主要用于狀態(tài)的判斷（障礙物的有否、物料是否到位、液面是否過高等）而無法實現對距離的實時測量，因此這類傳感器不適用于移動機器人的測距但可用于移動機器人的避障裝置。因此，不適合精確的測距用途。電容式傳感器只能用來檢測很短的距離。（2）電容式測距傳感器此類傳感器通過測量外界物體靠近傳感器所引起的電容變化來反映距離信息。由以上對于幾種感應式傳感器的分析可以看出，它們存在一些相同的缺陷：這一類傳感器一般對于鐵磁材料比較敏感；檢測信號（電壓、電流等）與被測量（距離）之間不是線性的對應關系；測量時受外界電磁干擾較大；可測量的范圍較小，距離較近，一般僅為零點幾毫米?；魻栃獪y距傳感器則因其應用此原理而得名，當傳感器遠離被測導體時，在特定導體上有較強的磁場；當其靠近時，磁場變弱。電渦流測距傳感器的最簡單的形式只包括一個線圈，線圈中通入交變電流，當傳感器與外界導體接近時，導體中感應產生電流，即電渦流效應，傳感器與外界導體的距離變化能夠引起導體中所感應產生電流的變化。電磁類測距傳感器的核心是線圈和永久磁鐵構成，當傳感器遠離或靠近鐵磁性材料時，會引起永久磁鐵磁力線的變化，從而在線圈中產生電流。非接觸測量距離的方法很多，從納米級微小位移到成千上萬公里甚至更遠的距離，它們的測量應用了很多原理，采用了各種不同的裝置，對機器人來說，所需測量的距離一般為零點幾毫米到幾十米遠，因此機器人測距傳感器的測量范圍一般都包含在這個范圍內。由于在實現避障和無碰撞路徑規(guī)劃的過程中，機器人本身與周圍環(huán)境以及障礙物之間的距離是最關鍵的因素。系統(tǒng)通過超聲波傳感器對周圍物體進行距離測量，利用紅外線傳感器對近距離的物體進行檢測，利用電子碼盤對行程進行測量，利用電子羅盤對所處方位進行測量，通過單片機采集這些數據信息，利用單片機的串口與上位機進行數據通訊。移動機器人除了在對外界環(huán)境了解的基礎上還需要對自身的速度和方位也有了解，這樣才能正確指示移動機器人下一步動作。移動機器人通過它來對周圍環(huán)境狀況進行測量。第三章根據系統(tǒng)硬件結構設計系統(tǒng)的軟件部分，包括超聲波、電子羅盤在內的主程序，通過中斷方式完成的紅外線數據采集程序，通過串口通信的電子羅盤程序，以及與上位機之間數據接收發(fā)送程序。本文各章的主要內容如下：第一章緒論，對國內外移動機器人及其導航技術的發(fā)展進行了綜述，介紹了移動機器人導航系統(tǒng)及移動機器人導航中常用的傳感器，最后提出了本研究工作的主要目的，并闡述了本文的主要內容。如果將紅外傳感器和超聲波傳感器同時應用于機器人，就能提供全范圍的探測結果，超聲波傳感器的盲區(qū)正好可以由紅外傳感器來彌補。但探測波束角較大，方向性差，往往只能獲得目標的距離信息，不能提供目標的邊界信息。超聲、紅外是基于時間度躍法進行測距的傳感器，激光雷達是基于測量發(fā)射信號與返回信號間的相位差來測量距離的傳感器，因而通常用于環(huán)境探測和自身定位。陀螺儀測量回轉速度，加速度計測量加速度，測量值的一次或二次積分可分別計算出角度或位置參量。光電編碼器又可分為絕對式編碼器和增量式編碼器，前者將位移直接變換成數字量并行輸出，后者將位移變換成相對于某基準點的串行脈沖序列輸出。測距法是相對定位技術的一種，采用隨時間累積路程增量的原理。差分臺也是一臺GPS接收機，它將差分臺接收機與真實位置之間的差分作為公共誤差校正量下載給用戶機，用戶機用該校正量對本機位置輸出進行校正，最后可以得到米級的定位精度。差分GPS技術，即DGPS，是在GPS定位精度不能令人滿意的情況下產生的，它由差分臺、數據鏈和用戶接收機組成。用戶接收機分為C/A碼和P/Y碼接收機兩種，高精度的P/Y碼接收機只能被美國軍方和其特許用戶使用。采用三邊測量方法，用戶接收機通過測量衛(wèi)星RF信號的傳輸時間能夠計算其與衛(wèi)星的距離，同時這些信號也包含了有關衛(wèi)星瞬間位置的信息。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)：即GPS（Global Positioning System）是目前一種比較成熟的室外導航技術，由空間部分、地面支撐系統(tǒng)和用戶接收機三部分組成。目前，對基于視覺系統(tǒng)導航的研究有很多，也是發(fā)展的主要方向。視覺導航的缺點是難以區(qū)分將要探測的目標與背景。移動機器人視覺導航是隨著計算機視覺技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一種導航方式，由于信息量大、適用范圍廣而成為目前機器人導航技術的研究和應用熱點。如視覺、超聲、紅外、激光雷達等傳感器。如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、旋轉電位計、光電編碼器、陀螺儀、加速度計、磁羅盤等。周圍環(huán)境獲取包括確定障礙物位置，而定位包括實現系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。同時在移動機器人運動過程中，應該能夠實現避障和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據掌握環(huán)境信息的完整程度可分為環(huán)境信息完全已知的離線全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的在線局部路徑規(guī)劃，分別稱為靜態(tài)路徑規(guī)劃和動態(tài)路徑規(guī)劃。4）路徑規(guī)劃。3）定位技術。2）信息融合技術。該技術主要是對機器人自身內部的位置、方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。該技術是指移動機器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現在動態(tài)的、有障礙物的環(huán)境中，面向目標的自主運動。此外，中國科學院沈陽自動化研究所也研制成功了自動導引車和一種移動機器人平臺。國內全自主移動機器人方面的研究起步較晚，但是發(fā)展非常迅速。例如，美國密歇根州立大學的SAIL機器人就可以通過多模態(tài)感知接口進行環(huán)境學習，使之成為具有初步人類智能的自學習導航機器人。 Ube Technical College 的智能輪椅采用了室內燈光作為導航標記，使用了自然圖象和激光反射圖象相結合的方法實現了自定位；西班牙的SIAMO計劃采用了黑白圖象編碼路標作為定位標記，實現了視覺導航。但是由于這些傳感器的固有特性，使用它們存在著一些缺點：如測量距離有限，魯棒性差等。歐盟聯合研究項目TIDE(Technology Initiative for Disabled and Elderly People)中有一項荷蘭承擔的M3S(Multiple Master and Multiple Slave)計劃著重研究智能輪椅等移動機器人的硬件系統(tǒng)、總線標準與接口協(xié)議等；還有一些課題著重研究基于范圍的傳感器(如超聲、紅外等)導航問題，如英、德、意三國聯合項目OMNI(Office wheelchair with high Manoeuvrability and Navigational Intelligence for people with severe handicap),美國密歇根大學的NavChair和MIT的Wheelesley。國外比較著名的機器人研究計劃有：美國能源部制定的機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPA)及后來的空間機器人計劃，歐洲尤里卡的機器人計劃，日本通產省的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃等。由于全自主移動機器人涉及諸如驅動器控制、傳感器數據融合、圖象處理、模式識別、神經網絡等許多方面的研究，它能夠綜合反映一個國家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平，因此，許多國家都非常重視全自主移動機器人的研究。全自動移動機器人已經有了一些成功的范例，例如，德國研制的一種輪椅機器人在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中進行了實地表演，它在有大量乘客的環(huán)境中，獨立進行了36個小時的考驗，表現出其他輪椅無可比擬的性能。本文的研究內容就是全自主移動機器人的感知模塊——多傳感器的數據采集系統(tǒng)。半自主機器人具有了部分處理和決策功能，能夠獨立地實現一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制；全自主機器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以像一個自主的人一樣獨立地活動和處理問題。在主機器人或外部計算機上具有智能處理單元，它全權處理由受控機器人采集的各種信息以及機器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，進行智能化處理，然后發(fā)出控制指令，指揮機器人的動作。按照智能機器人的智能化程度高低，可以分為外部受控機器人，半自主機器人和全自主機器人。從機器人的簡要發(fā)展歷程可以看出，機器人的發(fā)展正朝著多功能化、智能化、大眾化的方向發(fā)展。智能機器人除了具有感知環(huán)境和簡單的適應環(huán)境能力外，還具有較強的識別理解功能和決策規(guī)劃功能。隨著科學技術的進一步發(fā)展，各種新型的傳感器為機器人賦予了更多的感覺，適應型機器人就是這樣一類機器人，它可以采集各種外部感覺(如視覺、觸覺等)信息，適當的調整其運動軌跡和操作，適應環(huán)境的變化。浙江科技學院本科畢業(yè)設計（論文）用于移動機器人導航和避障的傳感器設計畢業(yè)設計目 錄 摘 要 ⅠAbstract Ⅱ第一章 緒 論 11．1 機器人技術發(fā)展歷程 11．2 全自主移動機器人的概念與研究現狀 21．3 移動機器人導航技術的研究內容 31．4 導航常用傳感器介紹 41．5 本論文的主要研究內容 5第二章 系統(tǒng)的硬件部分 72．1 系統(tǒng)總體原理 72．2 傳感器的選擇 82．3 傳感器模塊的構建 92．4 各傳感器模塊的具體實現 112．4．1 超聲波測距模塊 112．4．2 紅外線避障模塊 142．4．3 電子碼盤模塊 162．4．4 電子羅盤模塊 182．5 通信模塊 202．6總體搭建 22第三章 系統(tǒng)的軟件設計 .273．1 數據采集系統(tǒng)軟件設計思想 273．2