機(jī)器人避障超聲波測(cè)距系統(tǒng)(硬件)_圖文

1、機(jī)器人避障超聲波測(cè)距系統(tǒng)第一章緒論1.1 課題研究的背景及意義機(jī)器人技術(shù)是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科,它在眾多的科技領(lǐng)域與生產(chǎn)部門(mén)中得到了廣泛的應(yīng)用,并顯示出強(qiáng)大的生命力。它是集精密機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)、檢測(cè)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)于一體,形成的一門(mén)綜合性的新技術(shù)學(xué)科。機(jī)器人的發(fā)展有很長(zhǎng)的歷史,早在三國(guó)時(shí)代,諸葛亮造的“木牛流馬”就是古代機(jī)器人的一種雛形。機(jī)器人(robot一詞來(lái)源于 1920 年捷克作家卡雷爾查培克所編寫(xiě)的戲劇中的人造勞動(dòng)者,在那里機(jī)器人被描寫(xiě)成像奴隸那樣進(jìn)行勞動(dòng)的機(jī)器。后來(lái)作為一種虛構(gòu)的機(jī)械出現(xiàn)在許多作品中,代替人們?nèi)ネ瓿赡承┕ぷ鳌Ｔ跈C(jī)器人發(fā)展歷史上,

2、存在兩條不同的技術(shù)路線:一條是日本和瑞典所走的“需求牽引,技術(shù)驅(qū)動(dòng)”,他們把美國(guó)開(kāi)拓的機(jī)器人,結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求,開(kāi)發(fā)出一定系列特定應(yīng)用的機(jī)器人,如弧焊、點(diǎn)焊、建筑等等,從而形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè);另一條是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體?？闯墒怯?jì)算機(jī)科學(xué)的一部分,單純從技術(shù)上仿人的某些功能出發(fā)研究機(jī)器人。自從為了抓取放射性材料而設(shè)計(jì)制造的第一臺(tái)遙控機(jī)械手誕生至今已經(jīng)有50多年了,而六十年代第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世也40多年了。之所以當(dāng)初稱之為工業(yè)機(jī)器人是為了同虛構(gòu)的機(jī)器人及玩具機(jī)器人加以區(qū)別。目前所說(shuō)的機(jī)器人大多指工業(yè)機(jī)器人。第一代機(jī)器人,主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人。示教內(nèi)容為機(jī)器

3、人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。第二代機(jī)器人具有一定的感覺(jué)裝置,能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析,機(jī)器人作出一定的推理,對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制,表現(xiàn)出低級(jí)的智能。第三代機(jī)器人是指具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人,它具有多種感知功能,可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維判斷決策,在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)。作為“第三代機(jī)器人”的智能機(jī)器人是這樣一類機(jī)器人:機(jī)器人本身能對(duì)所處的工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài)做出反映,它能根據(jù)人給予的指令和“自身”對(duì)外界的了解來(lái)獨(dú)立的決定工作方法,利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo),并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。自主式移動(dòng)機(jī)器人也屬于智能機(jī)器人。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許

4、多方面。首先,要考慮移動(dòng)方式,可以是輪式的、履帶式的、腿式的,對(duì)于水下移動(dòng)機(jī)器人則是推進(jìn)器。其次,必須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制,以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三,必須考慮導(dǎo)航和路徑規(guī)劃,對(duì)于后者,有更多的方面考慮,如傳感器信息融合、特征提取、避障和環(huán)境映射等。因此,移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。在移動(dòng)機(jī)器人自主行走的過(guò)程中,不可避免的會(huì)遇到一些障礙物,所以靈活、實(shí)時(shí)的避開(kāi)這些障礙物是移動(dòng)機(jī)器人必須擁有的一種基本能力。為了實(shí)現(xiàn)這種能力,移動(dòng)機(jī)器人必須通過(guò)外部傳感器來(lái)收集周邊環(huán)境的信息數(shù)據(jù)并通過(guò)這些信息建立起外部環(huán)境的模型,從而實(shí)現(xiàn)類似于人的避障行為。在移動(dòng)機(jī)

5、器人環(huán)境探測(cè)的過(guò)程中,人們多采用視覺(jué)系統(tǒng)探測(cè)周?chē)h(huán)境,并利用圖象信號(hào)分析處理技術(shù)獲得環(huán)境信息,從而引導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。比如,由浙江大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的以美國(guó) TROBOT 公司ATRV-2 為平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)器人,就是以放置在移動(dòng)機(jī)器人上方的彩色CCD攝像機(jī)和安裝在內(nèi)部微機(jī)主板上的圖象采集卡組成的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)探測(cè)前方障礙物。采用視覺(jué)系統(tǒng)避障可以獲得較完整的環(huán)境信息,但由于圖象處理運(yùn)算量大,需要高性能的信號(hào)處理設(shè)備,致使這類系統(tǒng)體積較大、能耗高、實(shí)時(shí)性差。近年來(lái),為了克服單純視覺(jué)系統(tǒng)在應(yīng)用上的不足,人們開(kāi)始研究采用其他非攝像類傳感器探測(cè)環(huán)境信息,直接采用多個(gè)廉價(jià)超聲波傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。由于超聲波指向性強(qiáng),能量

6、消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量,利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求,因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。由于移動(dòng)機(jī)器人具有一般機(jī)器人所不具備的移動(dòng)能力,從而使之更具備“代替人”作業(yè)的實(shí)力。移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中不可避免會(huì)遇到各式各樣的障礙物,靈活、實(shí)時(shí)的躲開(kāi)這些障礙物是衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。具有避障功能的移動(dòng)機(jī)器人擁有相當(dāng)高的社會(huì)價(jià)值,被大量應(yīng)用于航天、軍事、制造業(yè)、醫(yī)療、交通等。比如在制造業(yè)中,柔性裝配系統(tǒng)(FAS是柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分。近年來(lái),為響應(yīng)產(chǎn)品換代的頻繁變化,FAS的構(gòu)

7、形發(fā)生了很大變化,發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家已出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)形的柔性裝配系統(tǒng),在這類系統(tǒng)中,眾多的具有避障功能的移動(dòng)機(jī)器人代替了通用的傳送帶。同樣具有避障功能的移動(dòng)機(jī)器人能給不能行走的殘疾人士帶來(lái)福音?，F(xiàn)在,大多數(shù)殘疾人士使用電子輪椅,由于駕駛這種輪椅需要相當(dāng)大的技巧,對(duì)于那些殘疾人士來(lái)說(shuō),靈活自如的駕駛這類輪椅將有一定的難度。而擁有自主導(dǎo)航和避障能力的移動(dòng)機(jī)器人將輕易的解決這類問(wèn)題。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從 80 年代開(kāi)始,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局專門(mén)立項(xiàng),制定了地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。如 DARPR 的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車(chē)輛計(jì)劃。能源部制定了為期10 年的機(jī)器人和職能系統(tǒng)計(jì)劃,以及后來(lái)的空

8、間機(jī)器人計(jì)劃。美國(guó) NASA 研究的火星探測(cè)機(jī)器人于 1997 年登上了火星。為了在火星上進(jìn)行距離探測(cè),又開(kāi)始了新一代樣機(jī)的研制,命名為 Rocky7,并在 Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。美國(guó)的 MDARS 項(xiàng)目是在著名的保安機(jī)器人 ROBART 的基礎(chǔ)上建立的一個(gè)多移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),后來(lái)在指定地點(diǎn)執(zhí)行隨機(jī)巡邏任務(wù)。德國(guó)研制了一種輪椅機(jī)器人,并在烏爾姆市中心車(chē)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(huì)大廳環(huán)境中進(jìn)行了超過(guò)36 小時(shí)的考驗(yàn),所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人所不可比的。對(duì)機(jī)器人自主性的挑戰(zhàn)來(lái)自要求完成的任務(wù)以及高度非結(jié)構(gòu)化和變

9、化的環(huán)境。在大多數(shù)室外環(huán)境中,要求機(jī)器人完全自主的完成任務(wù)目前還有一定的困難。遠(yuǎn)程操作的半自動(dòng)機(jī)器人,毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)發(fā)展方向,因此先進(jìn)的遠(yuǎn)程操作技術(shù)是將來(lái)必需的。國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人的研究上起步較晚,大多數(shù)尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段,主要的研究工作有:清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994 年通過(guò)鑒定,涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃研究;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃研究;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究;傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)研究;智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。另外,還有中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的 AGV和防暴機(jī)器人;中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng);哈爾濱工業(yè)大學(xué)于

10、1996 年研制成功了導(dǎo)游機(jī)器人。隨著汽車(chē)的普及,大中城市中的慢性堵塞和交通事故的增加已成為一個(gè)大的社會(huì)問(wèn)題。尤其在高速公路上行駛的汽車(chē),時(shí)速通常在100公里每小時(shí)以上,一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情,留給駕駛員的時(shí)間是很短的,世界各地,由于雨、霧等原因引起的高速公路上的惡性交通事故時(shí)有發(fā)生。如何利用汽車(chē)和道路的智能化來(lái)提高安全性能和交通效率已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注的熱點(diǎn)。因此,目前移動(dòng)機(jī)器人的研究開(kāi)始偏向汽車(chē)的自主駕駛和輔助駕駛的研究。部分發(fā)達(dá)國(guó)家重要的研究計(jì)劃包括:美國(guó): IVHS(智能車(chē)輛高速公路系統(tǒng)歐洲: AVS(先進(jìn)安全車(chē)輛SSVS(超級(jí)靈巧車(chē)輛系統(tǒng)VICS(車(chē)輛信息和通信系統(tǒng)ARTS(先進(jìn)道路運(yùn)輸系統(tǒng)U

11、TMS(通用交通管理系統(tǒng)中國(guó):THMR-V(清華大學(xué)這些計(jì)劃中,各極其重要的環(huán)節(jié)是能在汽車(chē)行駛過(guò)程中探測(cè)障礙物與行人,并發(fā)出報(bào)警、自動(dòng)啟動(dòng)剎車(chē)和避障的關(guān)鍵技術(shù)。1517 1.3本課題內(nèi)容本文主要設(shè)計(jì)了機(jī)器人避障測(cè)距系統(tǒng)的硬件部分,主要有以下內(nèi)容: (1了解機(jī)器人避障超聲波測(cè)距的研究背景,國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r,提出課題的研究意義。(2對(duì)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行研究,就當(dāng)前比較流行的激光測(cè)距技術(shù)和超聲波測(cè)距技術(shù)的原理進(jìn)行探討,比較兩種測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn),針對(duì)本課題的實(shí)際,提出采用超聲波測(cè)距的優(yōu)勢(shì)所在。(3提出系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案。初步探討了超聲波傳感器的工作原理。概括性地?cái)⑹隽顺暡òl(fā)送電路以及接收電路中的限幅、多路電子開(kāi)關(guān)

12、、放大、濾波、整流以及比較等幾部分。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,必須對(duì)串?dāng)_問(wèn)題進(jìn)行解決,為此,還介紹了串?dāng)_處理電路的設(shè)計(jì),還把針對(duì)本課題的AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。(4簡(jiǎn)單介紹了單片機(jī)的編程語(yǔ)言C51語(yǔ)言及軟件設(shè)計(jì)的流程圖。然后針對(duì)本課題提出軟件編程方案:采用模塊化設(shè)計(jì),整個(gè)程序的編寫(xiě)分主程序、發(fā)射子程序、中斷接收子程序、定時(shí)子程序等模塊進(jìn)行。第二章機(jī)器人避障策略和測(cè)距方式的研究2.1 路徑規(guī)劃和避障策略所謂路徑規(guī)劃就是智能自主移動(dòng)機(jī)器人能按照存儲(chǔ)在其內(nèi)部的地圖信息,或根據(jù)外部環(huán)境所提供的一些引導(dǎo)(既通過(guò)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)探測(cè)所獲得的信息規(guī)劃出一條路徑,并能夠沿著該路徑在沒(méi)有人工干預(yù)

13、的情況下,移動(dòng)到預(yù)定目標(biāo),同時(shí)完成預(yù)定任務(wù)。執(zhí)行這個(gè)過(guò)程的算法就是路徑規(guī)劃算法。移動(dòng)機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式,根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型、導(dǎo)航地域等因素的不同,可以分為基于地圖導(dǎo)航、基于路標(biāo)導(dǎo)航、基于視覺(jué)導(dǎo)航、基于感知器導(dǎo)航等。目前還出現(xiàn)了其他的導(dǎo)航系統(tǒng),如美國(guó)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本文主要研究的基于超聲波傳感器避障屬于感知器導(dǎo)航。最優(yōu)路徑的搜索既可以采用軟件的方法,也可以根據(jù)退火算法利用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃,這種方法雖不能保證所得的路徑絕對(duì)最優(yōu),但能以較小的時(shí)間代價(jià)來(lái)?yè)Q取相對(duì)優(yōu)化的路徑;基于環(huán)境拓?fù)涮卣鞯穆窂揭?guī)劃可以減少對(duì)地圖精確性的依賴,從而擴(kuò)大路徑規(guī)劃的范圍。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)各種

14、傳感器獲得一定量的周?chē)h(huán)境信息時(shí),如何利用這些有限的環(huán)境信息,來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制,一直是機(jī)器人研究者所關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題,這也是移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)避障所必須解決的一個(gè)難題。為此,許多新穎而實(shí)用的控制算法被提出來(lái),在一定程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。他們一般能分為兩類:全局規(guī)劃與局部控制。在此,對(duì)幾種比較常用的控制算法作出簡(jiǎn)單的介紹。由于移動(dòng)機(jī)器人在避障過(guò)程中需要較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,所以要求控制算法具有較強(qiáng)的處理數(shù)據(jù)的能力,勢(shì)場(chǎng)法作為全局規(guī)劃方法的一種方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于勢(shì)場(chǎng)法而言,每一個(gè)障礙物都由一個(gè)二維的笛卡爾柵格來(lái)表示。目標(biāo)位置對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生一種虛擬的吸引力,而障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生一種虛擬的排斥力。

15、這兩種力的合成就決定了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。然而勢(shì)場(chǎng)法也具有自身的缺點(diǎn),主要表現(xiàn)在 4 個(gè)方面:(1存在陷阱區(qū)域;(2在相近障礙物之間不能發(fā)現(xiàn)路徑(3在障礙物前振蕩;(4在狹窄通道中擺動(dòng)。局部控制的方法主要應(yīng)用在一個(gè)未知的環(huán)境中。它是一種完全基于傳感器信息的反映策略。因此機(jī)器人和環(huán)境中的障礙物的絕對(duì)坐標(biāo)并不需要知道,但必須了解其相對(duì)位置及關(guān)系,所以大量的傳感器被利用來(lái)探測(cè)周邊的環(huán)境信息。但由于要處理大量的探測(cè)信息,因此實(shí)時(shí)性較差。最近幾年,人們發(fā)現(xiàn)要建立起移動(dòng)機(jī)器人避障過(guò)程精確的數(shù)學(xué)模型非常困難,所以大家都把目光投向了模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這兩種控制算法。這兩種方法的共同點(diǎn)在于易于表達(dá)某些難以精確描述

16、的規(guī)則。模糊邏輯適合表達(dá)模糊和定性知識(shí),具有類似于人類思維的推理方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行計(jì)算、容錯(cuò)性和自學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)。這兩種方法的這些特點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障顯然比以往的控制算法更具有優(yōu)勢(shì)。然而它們的缺點(diǎn)也很明顯:模糊邏輯的運(yùn)算量隨規(guī)則數(shù)量的增加而成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),因而在模糊規(guī)則較多時(shí)難以付諸實(shí)施;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度比較慢,不適合表達(dá)知識(shí),不能較好利用已有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。針對(duì)上述情況,有些人提出把模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái),從而產(chǎn)生了一種新穎的控制算法模糊神經(jīng)控制算法。由于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能提供一種推理方法,能夠把模糊理論所具有的較強(qiáng)的推理能力與神經(jīng)網(wǎng)所具有的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、容錯(cuò)性和并行性相結(jié)合。模糊神經(jīng)

17、網(wǎng)絡(luò)基于模糊規(guī)則的控制和決策系統(tǒng)已被較為廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中。特別對(duì)于難于用精確數(shù)學(xué)模型表述的復(fù)雜系統(tǒng)如智能移動(dòng)機(jī)器人的自主避障有明顯的效用。許多研究人員正是用這種方法取得了較大的進(jìn)展。2.2 測(cè)距方式的研究在研究機(jī)器人的避障時(shí),環(huán)境信息的采集是研究的關(guān)鍵問(wèn)題。距離測(cè)量為移動(dòng)機(jī)器人提供了周?chē)h(huán)境的二維或三維信息,是移動(dòng)機(jī)器人中不可缺少的組成部分。移動(dòng)機(jī)器人可以根據(jù)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)避障、導(dǎo)航和執(zhí)行特定的任務(wù)。通常,對(duì)獲取這類環(huán)境信息的傳感器有兩方面的要求:一方面,需要有足夠大的視場(chǎng)來(lái)覆蓋整個(gè)工作區(qū);另一方面,需要有足夠高的采集速率以保證在運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中提供實(shí)時(shí)的信息。(1無(wú)源測(cè)距技術(shù)經(jīng)典的距離

18、測(cè)量方法使用無(wú)源測(cè)距技術(shù),我們稱之為被動(dòng)方法,例如立體視覺(jué)和結(jié)構(gòu)光方法:立體視覺(jué):在機(jī)器人獲取信息的各種感知器中,視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)疑是最重要的。從仿生學(xué)的角度來(lái)說(shuō),基于雙目視覺(jué)原理的立體視覺(jué)系統(tǒng)最接近生物體的視覺(jué)系統(tǒng),但由于受到原理計(jì)算法的限制,測(cè)距精度和成象速度不能滿足要求。結(jié)構(gòu)光測(cè)距:結(jié)構(gòu)光測(cè)距的原理與光學(xué)測(cè)距法類似,使用單一光點(diǎn)或平面逐點(diǎn)測(cè)量從而獲得物體的完整的三維描述。這種方法雖然能夠產(chǎn)生比較精確的結(jié)果,但是其速度過(guò)慢而無(wú)法用于實(shí)時(shí)任務(wù)。在移動(dòng)機(jī)器人的領(lǐng)域中,無(wú)源測(cè)距方法大都無(wú)法同時(shí)滿足可靠性或?qū)嵱眯缘囊?。有源測(cè)距技術(shù)使用主動(dòng)傳感器替代被動(dòng)傳感器,它由于具有以下的兩大優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)時(shí)機(jī)器人領(lǐng)域

19、顯示出誘人的魅力:A.主動(dòng)傳感器不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù),不象立體視覺(jué)需要通過(guò)大量的計(jì)算獲取距離數(shù)據(jù),因而實(shí)時(shí)性好,測(cè)距速度快;B.主動(dòng)傳感器不易受到如天氣狀況、光照條件及表面標(biāo)記、陰影、污漬等外界條件的影響。主動(dòng)傳感器工作時(shí)不僅使用自然光照,它自身也對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生光照。此外,在多數(shù)主動(dòng)傳感器系統(tǒng)中,有源光的發(fā)送和接受是同軸的,這就從本質(zhì)上解決了結(jié)構(gòu)光和立體視覺(jué)方法難于解決的“消失片段”問(wèn)題。(2有源測(cè)距技術(shù)在有源測(cè)距技術(shù)中,常用的主動(dòng)傳感器主要有超聲波、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)三種。A.超聲波傳感器超聲波是一種只有少數(shù)生物(如蝙蝠、海豚才能感覺(jué)到的機(jī)械波,其頻率在20KHz以上,波長(zhǎng)短,繞射小,能

20、定向傳播。它具有縱波(在氣、液、固中傳播、橫波(在固體中傳播和表面波(沿固體表面?zhèn)鞑トN波形,而且遇到雜質(zhì)或傳播界面回產(chǎn)生明顯的反射。這種反射不是嚴(yán)格定向的,具有散射性。在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用的超聲波傳感器,是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性(縱波,通過(guò)接收自身反射的超聲波反射信號(hào),根據(jù)超聲波發(fā)出和回波接收時(shí)間差及傳播速度,計(jì)算出傳播距離,從而得到障礙無(wú)物到機(jī)器人的距離。從發(fā)射波束特性知,由于擴(kuò)散角的原因,使超聲波測(cè)距的角度分辨率較低,但距離分辨率較高。超聲波傳感器具有反應(yīng)靈敏、探測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn),而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,成本低,因而在目前已知的移動(dòng)機(jī)器人中,多數(shù)都安裝了它,用于室內(nèi)和室外近

21、距離避障。通常,以多個(gè)傳感器組成陣列形式,根據(jù)單個(gè)傳感器擴(kuò)散角及反射特性。確定合理的密度,以覆蓋要求的探測(cè)區(qū)域。111總的來(lái)說(shuō),超聲波傳感器的造價(jià)低廉、速度快、距離分辨率較高,但其方向性差、鏡面反射嚴(yán)重、測(cè)距范圍小,因此,比較適用于室內(nèi)環(huán)境的距離測(cè)量。B.紅外傳感器紅外線也是一種只有少數(shù)生物(如響尾蛇才能感覺(jué)到的光波,其波長(zhǎng)為1nm1000nm,具有定向傳播和反射能力。盡管自然界中各種物體均能不同程度的釋放出紅外能量,但由于其波長(zhǎng)和大小很難正確分辨,故移動(dòng)機(jī)器人上的紅外傳感器,工作原理與超聲波傳感器類似,同樣采用發(fā)射固定波長(zhǎng)的紅外線并接收同一回波的主動(dòng)方式,其探測(cè)特性和超聲波傳感器恰好相反,即

22、角度分辨率高,而距離分辨率低。當(dāng)然,它同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),因此在移動(dòng)機(jī)器人中,常用作接近覺(jué)傳感器,探測(cè)臨近或突發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙,便于機(jī)器人緊急停障。C.微波雷達(dá)微波是一種電磁波,其定向傳播及反射性能介于超聲波和激光之間。作為新型測(cè)距傳感器,其工作原理與超聲波傳感器相同。角度分辨率高于超聲波和紅外傳感器,低于激光傳感器,距離分辨率略高于超聲波傳感器。目前最大探測(cè)距離介于超聲波和激光測(cè)距之間,最小探測(cè)盲區(qū)距離略低于超聲波傳感器。微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是因目標(biāo)的顏色、材質(zhì)等不同而引起的反射率變化小,對(duì)霧的透過(guò)率高,受灰塵、霧、雨的影響小,在各種目標(biāo)和氣候條件下都能比較穩(wěn)定的進(jìn)行探測(cè)。缺點(diǎn)是利

23、用車(chē)載的小型天線時(shí)因?yàn)椴荒苄纬杉怃J的射束,所以不能進(jìn)行高精度測(cè)角。一般很難進(jìn)行高精度測(cè)位。另外,根據(jù)目前的電波法規(guī)定,微波一般是不能使用的,但是不久的將來(lái),經(jīng)過(guò)修改以后,這種規(guī)定會(huì)被解除的,這項(xiàng)高新技術(shù)的產(chǎn)品,已用于國(guó)外汽車(chē)倒車(chē)及高速公路車(chē)輛間距監(jiān)測(cè)等實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域,并開(kāi)始安裝在新研制的移動(dòng)機(jī)器人上,是一種很有前途的移動(dòng)機(jī)器人深度信息傳感器。D.激光雷達(dá)近年來(lái),激光雷達(dá)因具有測(cè)量速度快、測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)距精度高、方向性好、鏡面反射小、造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。激光調(diào)制波的強(qiáng)度大,有利于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的測(cè)量及目標(biāo)與背景的區(qū)分;光速窄、平行性好、散射小,保證了很好的測(cè)距方向分辨率;一般為單一頻率的光波,光

24、譜比較純,保證了較高的信噪比。通過(guò)二維或三維的掃描激光束或光平面,激光測(cè)距雷達(dá)能夠以相對(duì)高的頻率提供大量準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。激光測(cè)距雷達(dá)與其它距離傳感器相比,它能夠較好的同時(shí)考慮到精度要求和速度要求,特別是在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。它與傳統(tǒng)獲得深度信息的方法不同,激光測(cè)距雷達(dá)不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作,也可以在無(wú)環(huán)境光中工作,而且在無(wú)環(huán)境光的情況下測(cè)量效果更好。3如上所述,超聲波測(cè)距技術(shù)是一種有源非接觸性測(cè)距技術(shù),是利用超聲波在空氣中的定向傳播特性和固體反射特性,通過(guò)接收自身反射的超聲波反射信號(hào),根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收時(shí)間差及傳播速度,計(jì)算出傳播距離,從而得到障礙物到機(jī)器人的距離。由于超聲波傳感器具

25、有成本低廉、采集速度快、距離分辨率高、質(zhì)量輕、體積小、易于裝卸的優(yōu)點(diǎn),并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時(shí)不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù),不需要通過(guò)大量的計(jì)算就可獲得數(shù)據(jù),因而其測(cè)距速度快,實(shí)用性好。同時(shí)超聲波傳感器不易受到天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度、裂縫等外界環(huán)境條件的影響。鑒于以上種種優(yōu)點(diǎn),使得超聲波傳感器在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。2.3超聲波測(cè)距原理(1超聲波超聲波是人耳聽(tīng)不見(jiàn)的一種機(jī)械波,其頻率在20KHz以上,波長(zhǎng)較短,繞射小,能夠成為射線而具有一定的方向性來(lái)傳播。超聲波頻率越高,就越與光波的某些特性(如反射、擴(kuò)散等相似。超聲波的這些特性使其在檢測(cè)技術(shù)中獲得廣泛的應(yīng)用

26、。 圖2-1 聲波的頻率界限 圖2-2 超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用表(2超聲波測(cè)距方法超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性,而在不同媒質(zhì)的界面,會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性,就可以根據(jù)測(cè)量反射波與發(fā)射波之間的時(shí)間間隔,從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。其主要有三種測(cè)量方法:1.相位檢測(cè)法相位檢測(cè)法雖然精度高,但檢測(cè)范圍有限2.聲波幅值檢測(cè)法聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響3.渡越時(shí)間檢測(cè)法超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t ,然后求出就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離:D = C T/ 2 (2-1 這就是渡越時(shí)間法測(cè)距機(jī)理

27、。式中:D 距離;C 聲波在介質(zhì)中傳播的速度;T 聲波傳輸所用時(shí)間。聲波在空氣中傳輸速率為: 273/10T C C += (2-2式中:T 絕對(duì)溫度;0C 331.4 m/s 。在測(cè)距精度不是很高的情況下,一般認(rèn)為C 為常數(shù)340m/s 。 圖表2.1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí),如果溫度變化不大,則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高,則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?圖2-3 聲速與溫度關(guān)系表用于行走機(jī)器人上的超聲測(cè)距系統(tǒng)共有4對(duì)超聲波換能器,分別裝在前、后、左、右4個(gè)方向上。采用AT89C52單片機(jī),由單片機(jī)定時(shí)向發(fā)射機(jī)發(fā)出控制信號(hào),其脈沖寬度為0.25ms,同時(shí)啟動(dòng)定

28、時(shí)器。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生40KHz左右的調(diào)制脈沖,經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)向前方空間發(fā)射。超聲波信號(hào)在空間中傳播遇到障礙物后,將反射回波。其反射波被接受機(jī)收到后,變成電信號(hào)脈沖,該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整流、比較后,產(chǎn)生負(fù)脈沖觸發(fā)單片機(jī)外部中斷讀出此時(shí)定時(shí)器值,即得出超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。再根據(jù)公式(2-1即可求得距離。12142.4 超聲波傳感器(1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為

29、常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。按收發(fā)方式又分兩類:一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器,此類傳感器測(cè)距有效范圍比較大,但不具備防塵、防水性能,如用于發(fā)射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R 。另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器,如R/S40,不僅用于發(fā)射超聲波,也用于接收超聲波,此類超聲波測(cè)距有效范圍比較小、防塵、防水性能好,主要用于汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)。根據(jù)本課題的需要,收發(fā)一體式超聲波傳感器。4(2壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示,它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信

30、號(hào),其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電晶片作振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 圖2-4 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)綜上所述,選擇用超聲波傳感器來(lái)作為測(cè)量所用的傳感器,用渡越時(shí)間測(cè)距法作為測(cè)量的方法是完全可行的。2.5 小結(jié)本章主要分析了自主式移動(dòng)機(jī)器人的避障方式、路徑規(guī)劃、測(cè)距方式以及介紹、對(duì)比了幾種常用的傳感器,分析了超聲波傳感器的選擇,論證了采用超聲波傳感器進(jìn)行機(jī)器人避障測(cè)距方案的可行性。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1測(cè)距電路的硬件系統(tǒng) 圖31所示測(cè)距電路方框圖為

31、了能測(cè)量不同方向的障礙物,將超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多傳感器系統(tǒng),如圖31所示,測(cè)距系統(tǒng)包括超聲波發(fā)送、回波信號(hào)接收處理、單片機(jī)控制幾個(gè)部分。3.2 主芯片的選擇由于2K字節(jié)的89C2051和4K字節(jié)的AT89C51的內(nèi)存不滿足軟件程序的要求而選擇8K字節(jié)的AT89C52作為這次設(shè)計(jì)的主芯片。AT89C52單片機(jī)是整個(gè)電路的核心部分,它是一個(gè)低電壓,高性能COMS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和F

32、lash存儲(chǔ)單元. AT89C52有40個(gè)引腳,32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O端口,同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口,3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口,2個(gè)讀寫(xiě)口線, AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起,特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。其引腳圖如下: 圖3-2 AT89C52引腳圖3.3運(yùn)算放大器的選用TL084是JFET輸入高阻運(yùn)算放大器,雙列直插封裝的四運(yùn)放,外形如圖3-3所示: 圖3-3 TL084運(yùn)放外形圖它具有寬共模和差模范圍、低失調(diào)電流(低偏置電流、低溫漂和高轉(zhuǎn)換速率,而且功耗較小,并

33、具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償和輸出短路保護(hù)。圖3-4是TL084開(kāi)環(huán)放大增益與頻率的曲線圖,當(dāng)f = 40kHz時(shí),從曲線關(guān)系圖中可以查到開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)86,可以滿足放大電路與濾波電路的設(shè)計(jì)要求。 圖3-4 TL084開(kāi)環(huán)放大增益與頻率的曲線圖如果運(yùn)放工作在線性工作區(qū),一般都需要正負(fù)電源給運(yùn)放供電,為了優(yōu)化電路的設(shè)計(jì)及降低成本,此次設(shè)計(jì)采用單一電源供電,通過(guò)提升運(yùn)放“虛地”電壓來(lái)解決雙電源供電的問(wèn)題。具體工作原理是這樣的: TL084的VCC+端接8V電源,VCC-端接地,運(yùn)放的“虛地”端電壓為4V,相對(duì)“虛地”端而言,VCC+端的電壓為4V,VCC-端的電壓為-4V,這樣達(dá)到了正負(fù)電源供電的效果。3.4超

34、聲波發(fā)送電路超聲波發(fā)送電路包括超聲波信號(hào)產(chǎn)生電路、多路選擇開(kāi)關(guān)電路及發(fā)送換能器等部分。超聲波換能器振子頻率為40 KHz,它與電路的振蕩頻率一致。電路由40KHz振蕩電路與超聲波激勵(lì)電路組成,振蕩電路采用74HC00中三個(gè)與非門(mén)與電容和電阻構(gòu)。將信號(hào)產(chǎn)生電路與單片機(jī)的P1.4相連,控制發(fā)送脈沖寬度。振蕩電路產(chǎn)生的超聲波信號(hào)輸出到三極管的基極,經(jīng)三極放大及耦合升壓后,送超聲波換能器向空間發(fā)射超聲波,持續(xù)發(fā)射250us。耦合管原、副邊的匝數(shù)比為1: 20,當(dāng)發(fā)射超聲波的時(shí)候,換能器兩端的Vp-p值接近100V,有效地增加了超聲波換能器的發(fā)射能量。 圖3-5超聲波發(fā)送電路3.5超聲波接收電路超聲波接

35、收電路由限幅、多路電子開(kāi)關(guān)、放大、濾波、整流以及比較等幾部分組成。(1限幅電路當(dāng)反射距離的遠(yuǎn)近程度相差很大時(shí),超聲波換能器產(chǎn)生的回波信號(hào)的幅度也相差甚大。為了能有效處理遠(yuǎn)距離的微弱回波信號(hào),放大部分的總增益比較高。然而當(dāng)反射距離很近時(shí),回波信號(hào)幅度很大,如果直接傳送到放大處理電路,可能使整個(gè)系統(tǒng)過(guò)渡飽和,因此在前端需加限幅電路。 圖3-6 限幅電路(2多路電子開(kāi)關(guān)因?yàn)橛?路超聲波信號(hào),所以采用CD4052多路電子開(kāi)關(guān)。CD4052有A0、A1兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入,當(dāng)INH輸入端為”1”時(shí),所有通道截止。二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通4對(duì)通道中的一對(duì)通道,可連接該輸入端至輸出。CD4052的

36、INH引腳連至AT89C52的P1.3引腳, A0引腳連至AT89C52的P1.6引腳,A1引腳連至AT89C52的P1.7引腳. 圖3-7 CD4052多路電子開(kāi)關(guān)(3交流耦合放大電路放大電路是超聲波回波信號(hào)的處理電路中關(guān)鍵的部分之一。為了達(dá)到3米的有效測(cè)距范圍,對(duì)遠(yuǎn)處返回的微弱的回波信號(hào)必須給予足夠的放大,因此整個(gè)系統(tǒng)的最大增益不小于1萬(wàn)倍。 圖3-8 交流耦合放大電路上圖所示的是最簡(jiǎn)單的交流放大器之一,其閉環(huán)增益為:11110/1(C R s s R R s E E F +-=直流增益為零,而高頻增益接近-R F /R 1,低端的截止頻率為:1121C R fc =直流輸出失調(diào)電壓Eos

37、 等于直流輸入失調(diào)電壓加上由于偏置電流流過(guò)RF 產(chǎn)生的直流失調(diào)電壓為:F R R I Vos Eos +=(4濾波電路為了使整個(gè)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定,必須在中間級(jí)加有源帶通濾波電路。濾波電路設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié),也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最難的環(huán)節(jié),此電路中各無(wú)源阻容參數(shù)的選取既要滿足設(shè)計(jì)通帶的要求,還要避免整個(gè)系統(tǒng)的自激振蕩。 圖3-9 濾波電路根據(jù)要求,現(xiàn)需要設(shè)計(jì)一個(gè)有源帶通阻容濾波器,因此選定Y1、Y2、Y5為電阻,Y3、Y4為電容。(參考現(xiàn)代集成電路為了設(shè)計(jì)計(jì)算上的簡(jiǎn)化,現(xiàn)將圖3-9的電路參數(shù)用圖3-10所示的參數(shù)表示。 圖3-10 多反饋環(huán)濾波器電路參照相關(guān)的計(jì)算公式,可得到簡(jiǎn)化方程組:1(21

38、0b abRC f += b b a aQ 1(1+= (3.1aCRB 1= 20aH =超聲波傳感器的工作頻率已經(jīng)選定為40kHz ,第二級(jí)增益A 2=16.5,濾波器的設(shè)計(jì)帶寬為4kHz ,本次設(shè)計(jì)條件是:f 0 = 40KHz ,Q =10,H 0=16.5,電容C 的參數(shù)選定為C =1000pF 。根據(jù)以上設(shè)定的初始條件,結(jié)合方程組3.1,可以設(shè)計(jì)計(jì)算:Q f B 0=4kHz02H a = 31aCBR 1=1.96k aQ ab -=24=0.084 因此可以得到圖3-10所示的元件值(經(jīng)系列標(biāo)準(zhǔn)化:C =1000pF ,R1=2K ,R2=200,R5=62K 。(5運(yùn)放精密整

39、流電路 圖3-11 運(yùn)放精密整流電路圖3-11是全波精密整流電路,它是由半波整流電路和加法電路組成的。其工作原理是:1、當(dāng)輸入電壓Vin 大于零時(shí),運(yùn)放U2A 輸出為負(fù)電壓,D1截至,D2導(dǎo)通,Vin Ea -=而運(yùn)放U1A 組成加法電路,可求出VoutVin Vin Vin Ea R R Vin R R Vout =+-=-+-=2*26(*462、當(dāng)輸入電壓Vin 小于零時(shí),運(yùn)放U2A 輸出為正電壓,D1導(dǎo)通,D2截至,R2中無(wú)電流流過(guò),Ea=0;可以求出VoutVinVin R R Vout -=-=*46根據(jù)以上分析可知,精密整流電路就是絕對(duì)值電路,Vout = |Vin|;這樣的理想

40、整流電路不用考慮二極管的壓降,可以有效的檢測(cè)出小信號(hào)的變化了。3.6處理串?dāng)_問(wèn)題的電路由于發(fā)射與接收都是同一個(gè)傳感器,發(fā)射超聲波的時(shí)候,40kHz 的發(fā)射波直接經(jīng)過(guò)電阻輸送到接收信號(hào)處理電路,使單片機(jī)系統(tǒng)誤認(rèn)為已經(jīng)接收到回波(虛擬反射波,這一現(xiàn)象稱為“串?dāng)_問(wèn)題”?！按?dāng)_問(wèn)題”使單片機(jī)系統(tǒng)誤認(rèn)為已經(jīng)接受到回波信號(hào),導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作,為了解決“串?dāng)_”問(wèn)題,設(shè)計(jì)這樣的電路。其工作原理是:在信號(hào)處理電路最后一級(jí)比較電路中,Vout 為來(lái)自精密整流的輸出端。當(dāng)單片機(jī)外部引腳P1.4發(fā)射40kHz 脈沖群時(shí),單片機(jī)P1.5端保持15ms 低電平,即運(yùn)放的同相輸入端保持+8V 高電壓,此電平高于運(yùn)放反相

41、端的輸入電壓,可靠地保證運(yùn)放輸出為高電平,不會(huì)向CPU 申請(qǐng)中斷,這樣解決了“串?dāng)_”問(wèn)題。但從發(fā)射開(kāi)始一直到“虛假反射波”結(jié)束這段時(shí)間,由于強(qiáng)制比較電路輸出高電平,將引起了30cm 的測(cè)距“盲區(qū)”。 圖3-12 處理串?dāng)_問(wèn)題的電路3.7小結(jié)本章給出了基于AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距原理框圖,概括性地?cái)⑹隽顺暡òl(fā)送電路以及接收電路中的限幅、多路電子開(kāi)關(guān)、放大、濾波、整流以及比較等幾部分。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了使系統(tǒng)穩(wěn)定,必須對(duì)串?dāng)_問(wèn)題進(jìn)行解決,為此,本章還介紹了串?dāng)_處理電路的設(shè)計(jì)。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件控制原理超聲波測(cè)距系統(tǒng)就是用AT89C52單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的,主

42、程序流程圖如圖4-1所示,中斷服務(wù)程序包括內(nèi)部T0中斷和外部INT0、INT1中斷服務(wù)程序。T0設(shè)置為40ms中斷一次,其任務(wù)是每隔40ms產(chǎn)生4個(gè)40kHz的超聲波脈沖并按順序送到四個(gè)通道的超聲換能器。T0中斷服務(wù)程序流程圖如圖4-2所示,先禁止T0中斷且EX0清零,然后通道號(hào)+1并啟動(dòng)T0和T1開(kāi)始計(jì)數(shù),經(jīng)過(guò)短暫盲區(qū)延時(shí)后開(kāi)中斷。INT1中斷子程序讀取溫度傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果,并將相應(yīng)數(shù)據(jù)換算為環(huán)境溫度值t 。INT0停止T1計(jì)數(shù),根據(jù)T1讀數(shù)計(jì)算渡越時(shí)間T ,并進(jìn)行距離的計(jì)算。先計(jì)算超聲波在當(dāng)前環(huán)境下傳播速度:C =331.4273/1t ,再計(jì)算距離:D =CT/2,并將計(jì)算結(jié)果送

43、入顯示緩沖區(qū)。 圖4-1 主程序流程圖 圖4-2 T0中斷子程序流程圖4.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)與接口機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部分、行走部分。機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用分散式控制方式,如圖4-3所示。 圖4-3 集散式多機(jī)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖統(tǒng)由1個(gè)上位機(jī)和3個(gè)下位機(jī)組成,主控機(jī)完成機(jī)器人各個(gè)部分的協(xié)調(diào)控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)策略的計(jì)算和分析,行走伺服下位機(jī)完成機(jī)器人行走伺服控制,包括機(jī)器人的行走、急停、轉(zhuǎn)彎等,攝象機(jī)下位機(jī)完成攝象機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能,超聲波測(cè)距下位機(jī)完成機(jī)器人在行走過(guò)程中對(duì)方障礙物的檢測(cè)功能,以供機(jī)器人作出運(yùn)動(dòng)策略的分析。所有的處理器均采用AT89C52單片機(jī),各個(gè)部分通過(guò)串口多機(jī)通信

44、來(lái)完成信息交換。上位機(jī)各下位機(jī) 圖4-4 多機(jī)通信的邏輯框圖控制系統(tǒng)中主控機(jī)的主要任務(wù)是完成對(duì)各下位機(jī)的協(xié)調(diào)控制,因此其中關(guān)鍵的控制任務(wù)是多機(jī)通信控制,多機(jī)通信程序首先對(duì)串行口進(jìn)行初始化,在需要進(jìn)行通信的時(shí)候,發(fā)送需要通信的下位機(jī)的地址,由下位機(jī)確認(rèn)上位機(jī)是否確實(shí)要與自己通信,然后進(jìn)行軟握手,就是首先由主控機(jī)再次發(fā)送一個(gè)字符串,下位機(jī)將接收到的字符串回送到上位機(jī),當(dāng)上位機(jī)接收到的字符與發(fā)送的字符一樣的時(shí)候就停止發(fā)送,否則繼續(xù)發(fā)送字符,具體通信的程序框圖如圖4-4所示。當(dāng)上位機(jī)要最新測(cè)距數(shù)據(jù)時(shí),下位機(jī)以中斷的方式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在測(cè)距主程序中開(kāi)串行口中斷,進(jìn)入中斷程序后,仍采用查詢方式發(fā)

45、送數(shù)據(jù)。下面給出下位機(jī)響應(yīng)串行中斷程序: void rec(void interrupt 4 using 2 unsigned char temp;static bit adr;if(RI RI=0;temp=SBUF;If(temp=SLAVE /*接收地址與本機(jī)相符*/ SM2=0; /*取消監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)*/SBUF=temp; /*從機(jī)地址發(fā)回*/ adr=1; else if(adr BUF=arrtltemp; /*向上位機(jī)發(fā)送所要求的數(shù)據(jù)*/adr=0; SM2=1; /*恢復(fù)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)*/else adr=0; SM2=1;if(TI TI=0;4.3 小結(jié)本章分析了機(jī)器人超聲波測(cè)距的

46、軟件控制原理及與上位機(jī)的接口設(shè)計(jì),由于軟件部分主要由本組另一位同學(xué)完成,故只作了簡(jiǎn)單的分析。第五章 誤差分析與調(diào)試5.1 誤差來(lái)源分析由超聲波測(cè)距原理可知,它是基于聲波速度不隨頻率變化為基礎(chǔ)的,利用聲波行進(jìn)于待測(cè)距離的時(shí)間為測(cè)量參量確定待測(cè)間距。主要誤差來(lái)源有:(1聲波速度變化引起的誤差,這與空氣的元素含量以及空氣溫度有關(guān)。由聲波傳播速度M TR C =可知,聲速是與空氣的分子量與M 以及空氣溫度T 有關(guān)。(2脈沖計(jì)數(shù)頻率的穩(wěn)定性是直接導(dǎo)致“等效標(biāo)準(zhǔn)尺”長(zhǎng)度變化的因素。由測(cè)長(zhǎng)誤差關(guān)系式f m L m f C N m f f L /2=可得,當(dāng)脈沖頻率準(zhǔn)確到10-5時(shí),如果測(cè)量距離L 是100米

47、的話,L m =0.001米,此誤差遠(yuǎn)小于超生測(cè)長(zhǎng)誤差。(3開(kāi)關(guān)門(mén)的可靠性是標(biāo)志超聲波測(cè)距可靠性的關(guān)鍵,即同步門(mén)控制。也就是說(shuō),超聲波發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)必須同步開(kāi)門(mén)。所以,非同步性帶來(lái)的隨機(jī)誤差會(huì)影響結(jié)果。5.2結(jié)果圖組下面我們將通過(guò)這次設(shè)計(jì)所得的測(cè)試結(jié)果圖片來(lái)說(shuō)明所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程。首先是發(fā)射波形的,如圖5-1所示。 圖5-1 發(fā)射波形由圖可見(jiàn),振蕩電路在產(chǎn)生頻率為40 KHz 的超聲波信號(hào),持續(xù)時(shí)間為250us 。振蕩電路產(chǎn)生的超聲波信號(hào)先輸出到二極管的基極,再經(jīng)二極管放大及變壓器耦合升壓后,送超聲波換能器MA40A5S向空間發(fā)射超聲波。發(fā)射波形與接收波形的時(shí)間間隔如圖5-2所示

48、,由這幅圖可說(shuō)明超聲波的測(cè)距原理。從這幅圖可以看見(jiàn),發(fā)射波形和接收波形之間是有一段間隔的,這段間隔就是振蕩電路發(fā)出超聲波信號(hào)到接收電路接收到反射信號(hào)的時(shí)間間隔。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)觸發(fā)單片機(jī)的內(nèi)部的定時(shí)器T0。利用定時(shí)器計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到發(fā)射波的時(shí)間。當(dāng)收到回波信號(hào)后,接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求,執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序,讀取時(shí)間差。 圖5-2 發(fā)射波形與接受波形的時(shí)間間隔如圖5-3所示是產(chǎn)生高波盲區(qū)的波形。這個(gè)波形表示的是為了解決“串?dāng)_”問(wèn)題,從發(fā)射開(kāi)始一直到“虛假反射波”結(jié)束這段時(shí)間,由強(qiáng)制比較電路輸出高電

49、平,而引起的30cm的測(cè)距“盲區(qū)”波形。 圖5-3 產(chǎn)生高波盲區(qū)的波形圖5.3尚存在的問(wèn)題這是機(jī)器人測(cè)距系統(tǒng)里的一部分,它的要求是很高的,其精確度越高越好,但是由于實(shí)驗(yàn)室的條件問(wèn)題和人工焊接問(wèn)題使我們還達(dá)不到這樣的要求。再有就是此測(cè)距原理本身的缺陷,超聲波測(cè)距對(duì)于小范圍的測(cè)距還是適用的,但對(duì)于科研領(lǐng)域就還有很大的欠缺了。而我們知道超聲波畢竟還是波,它的傳播也受溫度的影響,這對(duì)于小范圍的測(cè)距來(lái)說(shuō)誤差就很大了,而本設(shè)計(jì)里沒(méi)有溫度補(bǔ)償處理電路,這就不可避免的一定有誤差了。且本設(shè)計(jì)里用的是收發(fā)一體式超聲波傳感器,它的發(fā)射與接受都是同一傳感器,這也難免會(huì)出現(xiàn)干擾信號(hào)而產(chǎn)生誤差。還有就是設(shè)計(jì)里傳感器接收到

50、的信號(hào)是非常微弱的,傳感器難免會(huì)把一些外在的干擾信號(hào)當(dāng)作有用信號(hào)而造成誤差。即使接收到的信號(hào)是有用的,本設(shè)計(jì)里的信號(hào)處理放大電路也還應(yīng)該更精確?？偟膩?lái)說(shuō),本設(shè)計(jì)里的測(cè)距方法用在科研領(lǐng)域就還有待改進(jìn),不過(guò)把它用在小玩具機(jī)器人上那還是很不錯(cuò)的。致謝在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中,我得到了來(lái)自學(xué)校、院里等方面的幫助,成功的完成了自己畢業(yè)設(shè)計(jì),達(dá)到了應(yīng)有的目標(biāo)。在這里特向以下單位和個(gè)人致以本人最誠(chéng)摯的謝意。首先,感謝學(xué)校能夠提供我們一個(gè)這樣鍛煉和提高自己能力的機(jī)會(huì),使得我們?cè)谧呷肷鐣?huì)之前有了一個(gè)深刻的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的體會(huì)。這次設(shè)計(jì)不但檢驗(yàn)了自己的知識(shí)結(jié)構(gòu),證實(shí)了自己的能力,使自己在進(jìn)入工作崗位之前有了一次對(duì)于工作的直觀評(píng)

51、估和體會(huì),而且使我們對(duì)自己的實(shí)踐能力建立一些信心。其 大 ， 別感謝 嚴(yán)格 那樣 論 導(dǎo) 督 導(dǎo) 師， 個(gè)設(shè)計(jì)過(guò) 感 給 ， 幫 ， 求 對(duì)學(xué)術(shù) 嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度， 么 ， ，都 得 們 己 認(rèn)真 態(tài)度去對(duì)待， 畢業(yè)設(shè)計(jì)得 順 耐 起 。 還 問(wèn)題，幫 ， 起給 設(shè)計(jì)過(guò) 問(wèn)題 學(xué) 幫 到 煩 時(shí) ， 總 ， 得 師都 決問(wèn)題。 感謝，還 關(guān)鍵 得到 們 寶貴建 同學(xué)們， 課題 議，謝謝你們！ 參考 1 1999 2 獻(xiàn) 杰 .單 機(jī) 及應(yīng) M . :機(jī)械工業(yè) ， .單 ，2002 計(jì) 機(jī)與機(jī)電 口技術(shù)M. 京:國(guó) 工業(yè) 3 譚 1996 年 . 傳感器應(yīng) 電 M. :電 科技大學(xué) ， 4 趙負(fù)圖 .現(xiàn)代傳感器 5 大學(xué) 趙 ，1997 電 M. 京: M. 郵電 : ， 2000 國(guó)科學(xué)技術(shù) .傳感器技術(shù)及其應(yīng) 36 6 獻(xiàn) 7 電 張 ，1996 .傳感器應(yīng) 及其 口電 M. 京:科學(xué)技術(shù) 愛(ài)鈞.單 機(jī)高級(jí)語(yǔ) 工業(yè) ，2001 強(qiáng) . C語(yǔ) ，賈青. C51Windows 環(huán)境編 及應(yīng) M . 京: 8 譚 9 謝劍 ，2001 10 孫傳 大學(xué) 11 設(shè)計(jì)M . 京：清華大學(xué) 計(jì) 機(jī)控 技術(shù)M. ，1999 京：國(guó) 工業(yè) ，孫曉 等. 測(cè)控系統(tǒng) ，2002 線與 聲 遙控. 與設(shè)計(jì)M. 京： 京 空 蘇長(zhǎng)贊。紅 郵電 .2002 年 12 紀(jì)