超声波传感器在机器人中的应用研究毕业论文

1学 号： 毕 业 设 计（论 文）超声波传感器在机器人中的应用研究Research on Application of Ultrasonic Sensors in Robots学 院: 信息工程学院教 学 系： 自动化系专业班级: 自动化 1002学生姓名:指导教师:年 6 月 6 日2内容摘要 IAbstract II1 导言 11.1 超声波传感器的应用的现状 11.2 超声波传感器应用的发展趋势 21.3 超声波传感器在机器人应用的研究背景与意义 21.4 本文所研究的主要内容 32 系统方案设计 42.1 理论依据 42.2 方案论证 82.3 设计思路 102.4 应用方案 113 系统硬件电路设计 173.1 单片机 173.2 超声波传感器的选型与设计 183.3 超声波传感器接口电路设计 213.4 伺服电机模块 253.5 其它扩展模块 254 系统软件设计 274.1 软件设计总体思路 2734.2 软件设计流程 284.3 设计的主要程序 295 测试结果及分析 335.1 测试环境 335.2 测试结果 345.3 测试结果分析 376 结论与展望 396.1 总结 396.2 展望 39参考文献 41附录 43附录 A 超声波传感器电路图 43附录 B 总体硬件电路图 44附录 C 开题报告 45附录 D 程序清单见另册附录 E 系统测试视频见附件光盘致谢 514内容摘要：超声波传感器技术正在不断地发展，其生产技术在不断地进步，可靠性和准确性得到提高且价格越来越便宜，已广泛应用在各个领域中，本文就超声波传感器在机器人上的应用进行了研究。本文首先对超声波传感器技术的应用和发展做了详细的研究，研究了在机器人上应用的可能性和现实性。其次对超声波测距技术进行了研究，对超声波传感器在移动机器人上的应用进行了方案设计和论证，确定了机器人的避障控制策略。分析了将超声波测距避障系统的应用前景，最后完成了比较复杂的超声波应用系统的硬件设计，并且设计编写了超声波应用系统的软件程序，实现了基于超声波测距的移动机器人的测距和避障系统。并完成了机器人测距避障的测试，测试结果表明了设计理论的客观性和装置的可行性。关键词：超声波传感器；智能移动机器人；测距；避障5Abstract: Ultrasonic sensors technology is constantly developing, and its production technology continues to progress. Its reliability and accuracy has been improved, but the price is getting cheaper, it has been widely used in many fields. This paper is researched on application of ultrasonic sensors in robots.Firstly, a detailed research of the application and development of ultrasonic sensor technology has been done, and studied on the possibility of robotic applications and reality. Secondly, researched on the technology of ultrasonic ranging, demonstrates the ultrasonic sensors application solutions on mobile robot, determined the intelligent robot obstacle avoidance control strategy. Analysis of the prospects for ultrasonic ranging obstacle avoidance system. Finally, completed a relatively complex hardware design and software design, realized the ultrasonic ranging and obstacle avoidance system based on mobile robot. And completed the distance of the robot obstacle avoidance test, the test results show the feasibility of objectivity and device design theory.Key Words: Ultrasonic sensors；Intelligent mobile robot；Ranging；Avoid obstacles61 导言超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波的振动频率要高于声波，是由换能晶片在 电压激励下振动产生的一种机械波。超声波具有高频、波短、绕射 现象小、方向性好、能成为射线定向传播的特点 1。由于不受光线影响，对 固体和液体的穿透能力很强，能穿透数十米的固体。超声波在碰到 杂质或者是处于分界面的时候能产生显著的反射形成回波，当碰到运动的物体时会产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。1.1 超声波传感器的应用的现状超声波传感器技术现在应用在生产实践的各个方面。不同的超声波探头功率、探头结 构应用的场合不同，超声波传感器组成形式也不同。基本上所有超声探头有压电晶片组成，功率小的探头用于探测。超声波在医学上应用主要是用于对疾病的诊断，超声波检测在临床医学中已经成为了重要的检测手段之一。对于我们最熟悉的应用就是 B 超了，通过B 超可以获得清晰的人体内脏各器官的切面图形，胎儿性别的检测就是通过 B超而实现的，对于多种器官的检查也是基于这个原理。超声波诊断由于无痛无伤、简便便宜准确高效的特点，人体可以反复的使用超声波检测。原理是在人体内超声波传播时，人体的各器官对于超声波的声学特性差异，会在不同的器官出现不同的反射、衰减或者是多普勒平移效果，能够用原理不同的超声波诊断仪，根据对病理部位的探测，结合医学原理能对疾病的性质和功能障碍程度进行诊断 2。超声波传感器在工业领域的应用领域较多，超声波测厚、测液位、金属无损探伤都是典型的应用。超声波传感器能够完成防水、防尘、高测量精度、使用温度范围大的测量要求，所以能实现其它传感器不能实现的功能。特别是在需要使用腐蚀性化学品或需要在危险或脏乱差环境中作业的工业流程中，经常会出现故障，超声波传感器对于工业远程监控应用至关重要，超声波传感器能检测到物体的存在与否、监测对象的移动情况、液体的水平和材料的边缘，7能够提高工业的流程效率，减少停机时间 21。超声波传感器的发展对于工业的智能化、自动化起着巨大的作用。超声波传感器在民用领域也有广泛的应用，现在开发出来的主要应用有使用超声波传感器的防盗报警器、自动门、接近开关等，其基本原理是基于超声波传感器的测距原理。比如自动门，当自动门顶上的超声波传感器的测距参数发生变化时，即为有人过来，控制自动门的伺服电机，自动门开，当运动物体通过后，传感器恢复到原来状态，控制伺服电机将自动门关闭。1.2 超声波传感器应用的发展趋势在未来的应用中，结合新材料技术和信息技术的发展，超声波传感器的智能化和灵敏度将会得到很大的提高。目前超声波传感器行业发展势头很好，但是超声波传感器的发展仍然面临着很多的技术难题，高端的超声波传感器研发成本也很高，与其它离散传感器产品相比，超声波传感器仍然能够进行技术生产的进步，由于研发的超声波传感器产品的技术的可靠性和准确性的不断提高，很多原本采用光电和电容技术的应用都转向使用超声波传感器 22。超声波传感器未来的发展趋势是智能化和与其它传感器集成和数据融合，实现更多的应用和功能。1.3 超声波传感器在机器人应用的研究背景与意义机器人技术作为科学技术的前沿研究应用，集成了最先进的计算机技术、制造技术、 传感器技术等，能够获取、处理和识别多种信息，通过获取的这些信息进行分析处理，能够完成较为 复杂的操作任务。机器人的自主化、自 动化将会使得人类的生产力得到极大的提高，使得生活更为便利。智能移动机器人在搭载多种传感器之后能在辐射、毒气、高温等特殊危险的环 境下工作，代替人 类，智能机器人也能在很多服务行业帮人们完成简单、重复、 劳动强度大的工作， 还能服务于行动不便的人群。移动机器人向着智能化的方向发展，其对物体的识别和运行的路径规划需要得到提高，设计能智能避障的移动机器人复杂、 难 度高，挑 战了机器人的感知8技术、通信技术、机械结构的设计。为了使机器人在未知 环境中锁定目标完成任务，避免机器人设备受到损坏，避障行 为必不可少。机器人的发展要求机器人的定位和避障能力能够适应更复杂的环境，完成更精确的任务，采用超声波传感器测距技术，有效地解决了移动机器人在复杂环境中的实时避障问题，提高了机器人避障的精度与使用寿命，能够降低自主移动机器人的生产成本，为自主移动机器人的研究与应用提供了一种有效的技术手段，将智能机器人的大规模应用的时间表提前了一大截。1.4 本文所研究的主要内容论文首先分析调查了超声波传感器在不同领域的应用，提出了为适应未来机器人的发展需求可采用超声波传感器用于移动机器人的测距避障定位。通过详细分析超声波的测距原理，以及根据智能移动机器人的需要，选定了超声波传感器的测距方式和相关特性要求。根据选用的超声波测距方式，分析了超声波避障的基本原理，对超声波传感器应用在智能移动机器人上进行了详细的方案论证，并设计了避障控制策略和目标跟踪策略的应用方案和其它扩展应用。对超声波传感器系统进行了硬件设计，简单介绍了单片机最小系统的设计，重点描述对超声波传感器的选型与设计，对提高超声波测距精度与效率的伺服电机进行了详细的设计，还对提高智能移动机器人性能的蓝牙模块和测速模块进行了设计。使用分模块的程序编写方法，设计了软件编写的流程图，使用了基于 C 语言的 Keil 编程软件完成了超声波传感器系统程序的编写。经过软件和硬件的调试后，对超声波测距系统进行了测距和避障测试，收集了大量的实验数据，并分析了实验中误差产生的原因和减小误差的办法。2 系统方案设计2.1 理论依据 2.1.1 超声波及其性质9超声波是指超过人的听觉范围的声波，其频率大于 20KHz。超声波不同于光波，超声波是通过传播介质的分子运动而产生的机械波 3。超声波需要介质才能传播，所以不能再真空中传播，可以在气体、液体、固体或者组合体中传播。在理想介质中，简谐声波向正方向传播的质点位移运动方程为公式(1)：（1） （ ） =（ ） cos（ +） =0(+)式中， 为位移量， 是初始振幅的参考数值， 分别为角频率和（ ） 0 、 声波传输时间。 为声波传输播距离， 为衰减系数， 称为波数。由公式 =/（1）可知，声波的振幅 随位移 的变大而呈指数形式变小。声波的减小（ ） 系数与声波频率及传播介质的具有公式(2)的关系式：（2） =2式中 为介质常数， 为声波的振动频率，由公式(2)显然可知，声波频率 越高，衰减系数越大，声波的传输距离就越小，反之则相反。 然而声波的另一个重要特性是：当声波的频率提高时，它的波束就会变窄。并且，与同振幅的低频波相比较，高频的声波直线传播距离更远，反射能力更强，能量更高。在实际的超声波测距应用中，需要考虑到超声波的传输距离不会太小，超声波的衰减不能够太快，而且要使超得声波的传播方向在需要的范围之内。超声波与其它声波相比，超声波的传输的方向性更好，并且穿透能力更强。超声波测距技术不需要跟被测距的物体接触，就能够方便的测量距离。超声波在速度距离的测量、金属探伤、厨具清洁等很多行业具有特性功能。超声波传感器是目前应用最为普及的传感器之一，在工业、民用、医用、及军事领域都有非常广泛的应用。 移动机器人实现自主定位、避障行走并且找到目标物等智能动作，测距系统是必不可少的。超声波传感器最早开发出来就是用于测距的，机器人刚起步的时候，超声波传感器就开始了在机器人上的应用研究。通过超声波测距可以10获取障碍物或目标物的距离信息。超声波测距的硬件成本很低，而且都已经模块化，使用很方便。在很多项目工程中，超声波的测量距离和精度大多都能符合设计者的要求。2.1.2 超声波测距原理超声波测距的方法多种多样，主要采用的方法有：相位检测法、脉冲响应包络法、声波幅值检测法和声波幅值检测法等 4。（1）相位检测法通过测量超声波的发射波和返回波的相位，根据发射波和返回波相位的相差数来测得距离。相位测距法一般需要结合使用渡越时间法。超声波的发射探头会发射一定数量的超声波脉冲，先计算第一个超声波脉冲回来的时间，在脉冲发射到回来时间里会有数个波 m 发出，再利用相位的测量确定余量和被测的距离。（3） =2 （4）=(+2) 公式(3)