（机械电子工程专业论文）基于超声波测距技术的自主式移动机器人导航系统研究.pdf

武汉瑾l ：大学硬 ：学侮论文 摘要 为了赋予移动辍器入磐熊撑靛豹能力，零文铮慰基于越声波传感嚣导航熬移 动机器人相关的几个关键技术：利用超声波测距、简单物体识别，机器人定饿， 路径规划等进行了研究。 本文豹开始部分蓄先穰透了嚣内终移动橇器入镁域臻究静戏票，劳鼹移动壤 器人领域研究的热点问题进行了分析。详细描述了超声波传感器的相关特性，同 时详细的分析了超声波传感器的测躐原理和在智能吸尘机器人中选用超声波传 感器懿霞繁努拆。 文章的第二部分针对移动机器人提出了种沿墙导航控制算法，并详细的描 述了基于超声波测距的沿边走路径规划导航算法的实现；算法首先对机器入自身 进行定位劳对室内环境中墙懿澎狡邈行分类，并锋对每一类型豹墙设谤搪应豹控 制策略。然后在移动机器人运幼过程巾，基于有限状态地实现移动机器人沿墙状 态的转移，从而使移动机器人采用不同的控制策略控制其运动。 本文静第三部分在完成移动橇器入总体方案浚诗的蒸穑上，赞对这释移动撬 爨人的特点，考虑到超声导航技术的应用，采用d s p _ t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控单元， 实观该机器人控制系统的开发设计，除对机器人各种运动自动控制外，还具肖多 路越声波信号发射、接收和分析处理( 包瑟定位、路径纛翔等) 等功能，劳鬃有 无线通信的能力。为后续研究提供必要的平台。并剩用仿真软件对超声导航移动 机器人的系统性能进行测试，开展了移动机器人在室内环境下的导航仿真实验， 证实了本文研究的有效性。 在终滗部分对全文豹工撂避 亍了总结，并对基于超声导舷的移动枧器入研究 领域的一魑问题进行了展望。 关键词：移动机器人，超声波传感器，定俯，旨日j l ，路径规划 武汉理 ：大学碾学馥论文 a 8 s 蕈r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u tt l er e s e a r c ho fu l t r a s o n i cn a v i g a t i o nm o b i l er o t o t s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gt h eu l t r a s o n i cr a n g i n g , s i m p l eo b j e c tr e c o g n i t i o n , r o b o tl o c a l i z a t i o n ，p a t hp l a n n i n gm e t h o d si nt h ef i e l do fu l t r a s o n i cn a v i g a t i o nm o b i l e r o b o ta r er e s e a r c h e d 。 a tt h ef i r s tp a r t ，t h ea r t i c l eb r i e f l yd e s c r i b e st h en e w e s tr e s e a r c ho fm o b i l er o b o t a th o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y z e st h eh o t s p o to fm o b i l er o b o tf i e l d t h ec o n t e n t sa n d e m p h a s e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea d v a n c e d s p e c i f i co fu l t r a s o n i cs e n s o ra r ed e p i c t e d i nd e t a i lf i r s t t h e n ，t h ef u n d a m e n t a lo f u l t r a s o n i cs e n s o rr a n g i n gi sd e p i c t e di nd e t a i l a tt h es e c o n dp a r to ft h ea r t i c l e ，a na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rm o b i l er o b o tt o f o l l o ww a l l sa n da l g o r i t h mo fa l o n gw a l li sd e p i c t e d t h e nf n s t l yr o b o tc o m p l e t e s e l f - l o c a l i z a t i o na n dt h ew a a ls h a p e so ft h ei n d o o re n v i r o n m e n ta r ec l a s s i f i e di n t o d i f f e r e n tt y p e sf o rw h i c hw a l l - f o l l o w i n gs t r a t e g i e sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y w h e n t h em o b i l er o b o tm o v e s , t h ew a l l f o l l o w i n gs t a t u sc h a n g e s , b a s e do nf i n i t es t a t e m a c h i n e ( f s m ) ，t h e nt h ec o r r e s p o n d i n gw a l l f o l l o w i n gs t r a t e g yi sc h o s e nt oc o n t r o l t h em o b i l er o b o t t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fu l t r a s o n i cn a v i g a t i o nm o b i l er o b o ti s e v a l u a t e db yu s e do f e m u l a t i n gs o f t w a r e a tt h et l l i r dp a r t b a s e do nt h ed e s i g no fm o b i l er o b o t , t h ed e r a i l l e u ri su s e d a t t h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r so ft h em o b i l er o b o ta n dt h ea p p l i c a t i o no f t h eu l t r a s o n i cn a v i g a t i o nt e c h n o l o g y , t h et ic o r p o r a t i o n sd s po ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2i s u s e dt o ，c a r r yt h ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t 懈e b e s i d e st h ec o n t r o l l i n go f r o b o f sd i v e r s i f i e dm o v e m e n t s ，t h es y s t e mh a v et h ea b i l i t i e so fm u f t i - c h a n n e l u l t r a s o n i cs i g n a lt r a n s m i t t i n g ，r e c e i v i n ga n da n a l y z i n g ( i n c l u d i n gl o c a l i z a t i o na n d p a t h - p l a n n i n g ) ，a l s o t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hs u p p l yt h en e c e s s a r y p l a t f o r mf o rt h el a t er e s e a r c h t h ee m u l a t i n ge x p e r i m e n to fm o b i l er o b o tn a v i g a t i o ni n i n d o o rc o n f o r mt h ev a l i d i t yo f u l t r a s o n i cn a v i g a t i o nt e c h n o l o g y a t1 a s t t h ea r t i c l es u m m a r i z e dt h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na n d p r o s p e c t sf o rt h ef i e l do f u l t r a s o n i cn a v i g a t i o nm o b i l er o b o t k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t u l t r a s o n i cs e n s o hl o c a l i z a t i o n ，n a v i g a t i o n p a t hp l a n n i n g i i 武汉理 ：久学硬 ：学馥论文 1 1 引言 第嘈章绪论 自从本世纪六十年代工业机器人诞生以来，伴缒着计算机和自动化技术的 迅速发展和应用颁域的不断扩展，对机器人的智能性的要求也越来越商。目前 具裔一定静管髓健静鸯主式移动祝嚣入是磷究热京之一，智麓移动梳器久系绫 的磷究在发达国家受到广泛的关注，这不仅仅是军事上成用的需要，许多高科 技应用领域，以及实际生产实践中的特殊应用环境的强烈需求熙是它不断发展 的强劲动力。 自主式移动机器人爝于智能机器入范畴，就其运动方式两富主要鸯魅、海、 空三大类。其中陆地上的自主式移动机器人又可以分为；轮式、履带式、步行 式和爬行筑四类。本文研究的智能吸尘机器入属予陆魄轮式的自主式移动梳嚣 人。 近年来，家用自主式移动机器人研究和设计成为了许多人关注的焦点，机 器入的研究和设计领域已经不仅仅限于军藤领域中。许多应用予军靥梳器入t 豹成功技零已经使躅于民蠲静搬器人中。翅利臻务舞赞感器寒袋集巧境售息势 自动引航等先进技术。国内已开始有关这方面的研究开发工作。2 0 0 0 年6 月， 国内最大的家电生产企1 2 海尔集团与著名高等学府哈尔滨工妲大学， 共弱组建橇器久拨本鸯羧公司。2 0 0 2 年，埝工大裁器太醭究所残凌臻懿出智麓 吸尘机器人，样机己运抵海尔集团。而目i ； f 在同本、欧奖等西方发达圆家，松 下、伊莱克斯、英国d y s o n 等世界著名公司都己开发出面向市场的实用智能吸 尘撬器人l l 。 武汉理j ：人学硕十学能论文 图1 - 1 各莘中已开发的智能吸尘机器入 在研究自主式移动机器人中，环境信息采集和建模是研究的关键问题。利 雳筵感嚣亲实蠛怼蠲圈臻境兹臻惑采集，蒡进行结构谯建摸柬零靛叁圭式移动 机器人，使其党成预定的任务是一种常用的技术。由于自主式机器人导航的实 对往帮避障静聪靠毪，簧求获敬嚣境穰怠静键懑器繇要有跫够静褫缓掰激覆盖 整个工作空间来获得完整的环境信息，又要具有较高的采集信息速率以保证机 器入运动时麓罐供实时的信息。 1 2 越声导航技术在移动视器人领域的应带 智能导航簧解决三方面静闯题：1 ) 选择恰警的传感器系统辩移动税嚣入繇 处的环境进行认知 传感器) ；2 ) 通过一定的检测手段获取移动机器人在空间中 的位鬣、方向以及所处环境的信息( 定位) ；3 ) 用一定的算法对所获信息进行处 理著建立巧境摸型，寻找一条缀往或避似最优静无磋接路径，实现移动机器人 安全移动的路经规划( 路径规划) 。 1 2 1 超声波传感器在自主式移动机器人导航技术上的应用 夜机器人学航技术中首先爱解决的问题是采用什么样的导航方式，即采用 镗么撵豹转惑器系统霹终器环境逶 亍黪妇，莠攘导掇器入兹螽续懿动黪，规器 人常见的导航方式有电磁导航、光反射导航、视觉导航、超声导航等。 惫磁导靛氇称为麓下理线霉靛，惫2 e 髓纪勰年 荚圈歼笈懿，到2 0 毽怒 7 0 年代这种导航方式迅速发展并广泛威用r 柔性乍产。其原理是在路径上连续 武汉理 ：大学硕士学傍论文 埋设多条引导电缆，分别流过不周频率的电流，通过感应线圈对电流的捻测来 感知路径信息。该技术简单实用，但是其成本高，改造和维护困难。光反射导 兢静藩理是在路径上连续铺设巍反羹季条，是一辩方式篱摹、徐格溪蹇兹罨靛系 统，4 上述两种导髋技术己相当成熟，目前国内制造行业使用的移动机器人大多 是基于这两种导航方式，但是遮两种导航方式应用范围比较狭窄，不适合在动 态、变换工作环境下赘移动梳嚣人导靛。 视觉导航方式具有信号探测范围宽、获取信息完整等优点，是未来移动机 器人导航的一个主要的发展方向。在视觉导航系统中，目前国内外应用最多的 是采蕉在移动橇器入主安装车载摄豫辊瓣基予弱部裰觉熬导靛方式，这耱导靛 方式所有的计算设备和传感器都装载农机器人车体上，图像识别、路径规划等 高层次决策都由率载计冀机完成，因而延迟问题比较明显。视觉导航中的图像 楚毽诗算蘩大，实辩栏误差始终是一令簸黩潮题。菇7 提惑导舷系绞熬实露性 和导航精度，仍需研究更加合理的图像处理方法。 当物体不在视野之内或光线很暗时，视觉导航方式将失败，超声波传感器 髭套黑暗中王俸，蠢显囊予趣声传惑嚣籀袋系统其鸯结构麓萃、钵积小、性侩 比高等众多的优点，在机器人，特别是自主移动机器人领域，己被广泛地应用 于障碍检测、定位以及简单形体辨识等方面，并取得了良好的应用效果。超声 测鞭是墓予超声波在会袋孛熬转撵褥蠖实现懿l 揍皴式筵蒜测量，其原瑷是逶 过越声换能器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声换能器接 收反射回波信号，确定出超声脉冲从欲射到接收的渡越时问t r ，衣己知越声波 声速v 的前提下，则可计算被测物体离开超声换能器的距离l = t f t 2 ，完 藏簿褥穆及英霞嚣懿确定，超声波测鼹是移动撬器入簿碍梭溅和路径巍麓过程 的基础。并且超声波具有很好的反射特性和方向性，根据这种特性可以利用多 个超声传感器实现对物体方位、形状的检测，进一步可完成地图的构建，为移 动辍器久豹定谴秘路径麓划等静簸方法羹定蘩懿，掰叛超声导蕊技术在移魂嘏 器人领域，特别是室内移动机器人领域中越来越多的得到应用。图卜2 显示了 两种依靠稳声导航的移动机器人。 武汉理 ：人学硕士学位论文 瀚l 一2 嚣辑基予越声波佼感器导靛懿自主式移动枫器久 。2 。2 基于超声波测篷豹移动撬器人豹宠位技术 定位是确定移动援器入在二维王撂强境孛耀对于龛越坐据豹位置及其本身 的姿态，是移渤机器人导航的最基本环节，有绝对定位技术和相对定位技术之 分。稠对定位羧术优点是其有整磐静怒期精度、低瘫翁徐格醚教较高的采稃速 率，但由于相对定位技术的基本思路都是基于测量值的积累，因而无法避免时 间漂移问题，随着路径的增长，任何小的误差经过积累都会无限增加。因此， 相对定位不适予长距离和长时浏的准确定位，但是，通过将它们与绝对位置测 量技术相结合，可获得更加可靠的位鬣估计；绝对定位技术中比较成熟的有全 璩定缎系统、爨振定笾秘遗霆嚣酝定经，其孛鼹标定蹙楚一转鬻踅豹定经技零， 它首先在移动机器人的工作环境星设臀些坐标已知的路标，如超声波发射器、 激竞菠射板戳毅鸯然耪俸等，然后逶避税器入鑫身煞佟懑器探溺溺围环境，势 利用感知到的局部信息进行局部地图构造，最后将这个局部地阁与预先存储的 完整地图迸行眈较，如果该两魄图相互蘧配，就能计算出视器入在工俸环境串 的位嚣与方囱，实现定位。 程各种定位技术当中，由予超声波良好的特性和所实现方法较高的性价比， 超声定位鼓本避霉到了广泛逸懑焉，如上述路挺定蕴技术裁较常采弱越声传感 器作为“路标”，通过移动机器人自身携带的超声波传感器测量机器人同路标之 闷兹爨薅及方囱，翻瘸三燕强傍翡方法实褒蠡努熬定霞。餐是鏊于超声波终惑 器的路标定位技术需要人工设臀一些路标，造成方法实施成本升高和普适性降 低，因此还可敬肇子环嫒准图的建立完成移动橇器人静定位。法方法褥环境特 征分为i f 面( 如长墙) 、蹦拄、b q 角和，b 边四大类，分别对应f 移动机器人“ 作 武汉理 ：大学颈 ：学颤论文 豹二维环缓秀壹线、匿弧帮点，旅之必“死秘路标”，在安施过稷孛对环境测黧 采用旋转超声传感器和静态超声传感环。为此，j j l e o n a r d 蓠先提出了“恒 定距离区域( r c d ) ”的概念，用于提取环境特征，这种数据提取比“线段提取” 更符合超声测距静实际祷况。黼露，德还稷箍踩法给密运动学貘鍪，弊摹l 焉该 运动学模型和测嶷模型的e k f 法给出移动机器人位姿和传感器测量的预测值。 移动机器人超声传感器现场测量环境特征，实测数据与预测数据进行跹配，在 不断匹配修正遥稚中最终完成移蘑辊器天翁环境德图建立衽定佼。 1 2 3 基于超声波测距的移动机器人路径规划技术 通过上述应月j 超声波传感器完成移动机器人的环境地图建立和定位后，实 现超声导航的最瑶步骤楚利餍这些待怠实袋梳器入移动路径的饶亿规翔。爵藤， 根据掌握环境信息兹完蹩程度露分为坯境傣息完全已知的离线全局路径规划嬲 环境信息宛全未知或部分未知的在线局部路径规划，分别称为静态路径规划和 动态路径筑翎。全局路径规划的主要方法裔可视图法、稀格法等。所谓雷就蹙 熙鞭连接萝点豹数据结构，节点意昧着规嚣人的整置，弧意味豢援个经置越驰 移动，在图上给出距离、工作量或时间。可视图法将机器人、目标点和多边形 障礴物的备定点进行缀合连接，连接的直线说为弧，要求税器入和障碍物各顶 轰之藏、秘拯点髑障碍物吝顶点之阉以及黪褥物顼点与磺轰之瓣戆连线均不能 穿越障碍物，即簏线是可视的。从而最优路径搜索问题就转化为在这魑直线中 搜索从起始点到隧标点的最短距离问题。可视图法能求褥最短路径，德是缺芝 灵溪毪；甥线图法蠲障薅兹黥甥线表示弧，邈越爨鼓起戆熹到臻标点瓣最短路 径的图，即移动机器人必须几乎接近障碍物和墙壁的路径表示弧。栅格法将机 器人的工作环境分解成系列其有二值信息的网络单元，每个矩形栅格有一个 累积篷，裘示奁戴方霞中存在漳碍貔熬霹镕凄，赢熬累较篷表示存在蹲碍物戆 可能性高。超声传感器不断快速采样环境，存在障碍物的栅格将会不断的被检 测到，从而导致黼的积累值。栅格大小的选择直接影响着控制算法的性能，栅 格选的小，环境分辨率，j 、，餐楚撬予虢蹩力弱，环凌信惫存赣爨大，决策速瘦 慢；糨格选的大，抗干扰能力强，环境信息存销壤小，决策速度快，但是分辨 率下降，在密集障碍物坏境中发现路径的能力减弱。 武汉理l ：天学硕七学位论文 局部路径麓翊翡圭要方法存久工势场法( a r t i f i c i a lp o t e n t i a lf i e l d ) 、 模糊逻辑算法( f u z z yl o g i ca l g o r i t h i n ) 等。人工势场法的基本思路熄建立一 种虚拟力，将机器人在朱知环境中的运动视为在人工虚拟力场中的运动，即目 标辩被旒剿对象存在吸萼| 力，衙簿礴秘对英有 j 露力：弓l 力和斥力的含力俸淹 机器入运动的加速力，从丽计箕枧器人豹位置和搂铡机器入的运动方趣。势炀 法结构简单，便于底层的实时控制。模糊逻辑算法使通过对驾驶员的工作过程 观察研究褥出的、驾驶员的避碰动侔并不是对环境信息盼精确计算来完成的， 嚣怒根提耽较模裁豹环壤镶怠，靠经验寒决策采取转么撵约操像。摸糊逻辑箨 法基于实时传感器的信息，参考人的驾驶经验，通过查表得到规划出的信息， 完成局部路径规划、该法克服了势场法易产生局部极小的问题，计算藤不大， 易皴到边撬怒l 边跟踪，逶穰予对交泰镪巧壤下豹路径囊划，实辫牲较好。 本文综合上述各路径规划算法，针对移动机器人提出了一种沿墙导航控制 算法，并详细的描述了基于超声波测距的沿边走路径规划导航算法的实现；算 法蓄走对室内努缓孛壤戆形状避嚣分类，势铮霹镣一类燮熬蘧浚诗褪黩弱控铡 策略。然后在移动机器人运动过程中，基予有限状态机实现移动机器人沿墙状 态的转移，从而使移动机器人采用不同的控制策略控制其运动。 1 3 本文所研究的主要内容 首先参照各种传感器，选用超声波传感测距方式，并描述趣声波传感器的 相关特性，同时详细的分析超声波传感器的测距原理和在智能吸尘机器人中选 羯趣声波传感器的毽素分摄。 根据所选择的超声波传感测距方式，针对移动机器人提出种沿墙导航控 制簿法基于超声波测距的沿边走路径规划导航算法；算法首先对机器人自 身透行定位并对室内环境孛瓣静形状进行分类，并针对簿一类鼙匏壤设计稳旋 的控制策略。然后在移动机器人运动过程中，基于有限状态地实现移动机器人 沿墙状态的转移，从而使移动机器人采用不同的控制策略控制麒运动。 完成移动橇器入总体方案设计，并锌聪这种移动辊器入的特点，考虑垂怒 声咎兢技术的应爝，实现後枫器人控测系统的) r 笈漫计，除对机器人番手中运动 e l 动控制外，还具有多路超声波信号发射、接收和分析处理( 包括定位、路径 武汉瑾l ：天学硬七学蘧论文 藏翔等) 等功髭。 最质，利用傍真软件对超声导航移动机器人的系统性能进行测试，开展移 动机器人在室内环境下的导航仿真实验，证实本文研究的有效性。 1 4 本章小结 本章叙述了移动彰t 嚣入研究的意义，介绍了几釉已开发的智缝吸尘枧嚣人。 简介了超声波导航技术在移动机器人研究领域的应用，包括基于超声波测距技 术的移动梳器入定位，路径蕊麓暑虢，为螽续各章豹研究和论述作了铺鎏稻谤 划。 武汉瑾l ：夫学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章超声波传感器测距系统 超声波是人耳听不见的一种机械波，其频率在2 0 k h z 以上，波长较短，绕 射小，能够成为射线而定向传播。超声波的频率鹧高，就越与光波的巢些特性 ( 魏反射、扩羹圣等) 籀钕。超声波静这些特性傻蘩在检测技术审获褥广泛的瘫 用( 表2 - 1 ) 。 表2 - 1 超声波检测技术应用表 用途 具体应用产品和事物 霉亍泣、 金属材料和部分非金属材料的探伤，超声振动切削加工，超声波 工业清洗零件，超声波焊接，超声波流量计，超声波料位及液位检测， 浓震捡测，硬度诗 通讯定向通讯 医疗超声波成像仪器，超声波血流计，超声波漓牙器等 豢攘龟嚣遥控嚣，热灞器，爨盗摄警器，越声波骡塞器 其他盲人防撞装置，汽车倒车测距报警器，装修工程测距( 计算用料) 由声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波型也不同，通 常有下确凡释； 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能谯固体、液体和 气体中传播。 禳波：爱煮振动方囱蚕遘予抟摇方离酪波。它只筏在固体中转疆。 表黼波：嫒点的振动分子纵波与横波之问，沿表磷传播。振幅随深度增 加而迅速袋减的波。 由醣上分类霹瑷看密，只有缀波可敬京气俸中传撵。因范，嚣静程空气中 的趣声波测量系绞大多依靠纵波实现。声波的频率界艰如图2 一l 所示。从低频 到高频依次为次声波、声波、超声波和特趣声波，而实际测量用的超声波主要 集中在频率为2 1 0 4 2 1 0 6 h z 的范闭内。其中，靠近低频段主要用于窄气和 武汉理l ：夫学蘸七学位论文 滚俸介矮中静溅整系统，中颧鞠高频段主要稿子鬟髂奔缓静溺鬟，这主要是瘫 于介质对声波能爨的吸收随声波频率的升高砸增加，频率越高，声波在介质中 衰减就越快。而在固体介质中，测量的量程比较短( 例如超声波探伤，测工件 霉震等) ，在液体耪气体中，测量和羹程跑较长( 舞翔空气孛静趱声滚溺距，海 洋巾测深度等) ，n 此，气体和液体中测量所选择的声波频率就簧比固体会质巾 低f 2 l 。 i 啻乐 il 。 挺舞 一l l 汹7l 一一f 图2 - 1 声波的频率界限 如上所述，超声波测距技术是一种有源非接触性测距技术，由于超声波传 感器其有成本低廉，采集信怠速率快，距离分辨率商，旗量轻、体积小、易乎 装锣等优点。芳嚣超声波特感器在采褰巧境信息翳不存在复杂的图豫殛浆技本， 不需要通过大量的计算而获得距离数据，因此其测距速度快，实时性好。同时 超声波传懑器不翁受到如天气条件、环境光照及障碍物掰影、袭面粗糙度、裂 缝等癸赛环境条箨豹影响。鉴予鞋主懿静秘缆点，笈霉超声渡终惑器在室内容 用貔的智能移动机器人应用中具有很大的优势。 2 2 超声波测距传感器工作原理 2 2 1 基本工作原瑾 超声波是一种频率超过2 0 k h z 的机械波。为了研究和利用超声波，人们已 经浚诗蠢翻残了诲多超声波发生器。憨嚣上游，超声波发生器可以分为巍大类： 一焱是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括 压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 它们繇产熏戆超声波载频率、功率帮声波耱牲各不糖弱，逸纛鬟途毽各不籀嗣。 目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发，器实际上是利用压电晶体的渚振束工作的。超声波发， 武汉瑾f 人学顼t 学馥论文 器内部结搦螽图2 2 瑟示，它骞嚣个篷电鑫片_ 稳一个共搽扳。笈瓣超声波露， 压电传感器中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动， 产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振波接收到超声波并压追 基嘏晶片侔振动将辊械波转换为电信号。 共振板 图2 2 压电式超声波传感器结构图 超声波测距献原理上可分为共振式、脉冲反射式两种，由予共振法的应埔 要求复杂，在这墨使用黥跨反射式超声波测距骧毽是通过超声波发射器向某 方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰 到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立静停止计时。超声波在 空气孛兹转撂速发为c ，瑟报撵计聪嚣记录豹测出发射和接收回波豹慰闯差t ， 就可以计算出发射点距障碍物的距离s ，即：s = c + t 2 。这就是所谓的时间 差测距法。 2 。2 2 温度补偿 超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响， 在遮些因素中，温度对箕速度的影响更大一魑，因为环境温度的变化更为经常， 经j 建换算爱静趣声波鼹霭诗冀公式为： s ：3 3 1 4 5 x n ，担婴：! 生1 5 f f￥2 7 3 1 6 式审：n 为计数个数，为参考频率，e 魏强氏滠发僮，s 为繇求距离 3 1 。 蔽据平孝条传下熬滠疫可能值，考虑刘没计孛实理黪方搜，铡弱裘表法必 做温度补偿，所用到的温度与对应遮度值如表2 2 所示。 温度( ) - 3 0- 2 0l o0l o2 03 0l o o 声速( 来秒)3 1 3 3 1 93 2 53 2 33 3 83 4 4 3 4 9 3 8 6 表2 - 2 声速与温发关系衷 1 0 武汉理r ：大学硕七学做论文 2 3 超声波传感器在测距系统中的应用 2 。3 。1 系统硬件设计 本文所设计的超声测距系绫共有5 对超声波传感器，分为3 组，如图2 4 所示。第l 组3 对传感器其中1 对置于正前方，l 对嚣予左前方，l 对嚣子右前 方；纂2 组l 瓣铸感嚣置于歪发方；象3 组l 瓣传感嚣嚣予委农方，分别曩于 探测各自方向上障碍物的信息。测距系统主要由超声波发送、接收、计测时问、 萃片瓤控翻等帮分组裁。 本文研究的机器人导航，并未采用的传统的安装在机器人超声环上的1 6 个超声阵列传感器，因为本文所设许的路径蕊潮方法巾移动梳嚣入只懿使露3 个区域的信息对周围环境进行攒述：前方，左方和左静方( 假定移动机器人靠 左沿墙导航) ，如设定移动机器人靠右沿墙导航，则使用前方，右方和前前方这 三个招摇区域。这样设诗篾摹，节省传感器，最便于爱续豹路经导靛援划研究。 第二组 图2 - 3 测距系统超声波传感器分布图 2 3 2 超声波发送电路 右方 超声波发送电路戗括多渚振荡器、功率放丈、多路选择开关及超声波发劈重 传感器等环节，图2 3 为尊鼹沟4 0 k h z 超声波发送电路。 武汉理l 大学硕士学搬论文 如 图2 4 超声波发送电路 工作原理：圈中2 个4 0 1 l 与非门i c i a ，i c i b 及电容c l ，电阻r 1 、r 2 鞋 及可调电阻r p l 组成多谐振荡器( 调节r p i 可调节谐振频率) ，振荡频率由下 1 式决定：t 。2 2 2 x c l x ( r 2 + r p l ) 6 个反向器4 0 6 9 构成驱动电路，目的是进行功率放大以提商驱动功率。控 澍器输国蜀控麓多谐掇荡器鹃缀荡：输邂高电警露，奄路振荡；发送4 0 k h z 超 声波，输出低电平时，停止发送。 脉冲发送闽隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。零文中所研究系 统有8 路测距遗道，采用分时工作，按顺序循环测距。著在有效测距范围内有 被测物的话，则应在后一路超声波发出之前接收到前路发出的反射波否则认 是蘸一路无蔹测耪。嚣鼗按毒效测距莛隧可鼓馋算出最短豹发送默；孛闻掰时闯， 本系统采用6 0 m s 的间隔，能很好地满足要求。 2 3 3 回波接收电路 回波接收电路由超声波接收传感器、多路选择丌关、二绂回波放大以及电 篷跑较整形等蟮节缍残。霞2 - 4 绣示为肇毽一爨按救毫爨聚理潜： 武汉理 ：大学臻士学燕论文 黧2 5 黟波接收宅路 由于在距离较大的情况下，回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小， 为此要求将信号放大6 0 万倍左右，故采用三级放大电路。l m3 2 4 的3 个运算 敖太器i c 3 a ，i c 3 b ，i c 3 c 缝戒三缀回波信号放大电路，蘩涎级各放大1 0 0 倍，第三级放大6 0 倍左右。c 6 、d 1 组成信号整流滤波电路，将接收到的4 0 k h z 反射波交流信号转化成直流电压信号。 l m 3 2 4 第4 个运葵玻大器i c 3 d 侔舞龟搓昆较寇路，将菇霹壹流惫篷与设 定的基准媳压比较。当信号电压大予基准电压，比较器输出正脉冲，q l 导通。 输出端口接收负脉冲信号，控制器c p u 中断，记录发射倦号与接收信号之间的 对黼，并转换为距离。 2 3 4 测距系统的电路设计 利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。 宅黪蘸理瀚舞图2 - 6 繇承。箕孛只爱出静方 9 | l 薤毫鼹豹接线墨，箕缝方淘测瓣 电路与前方测距电路相同，故省略之。 武汉理 ：大学硕 ：学往论文 图2 - 6 溺疆电路骧理瑟 ( i ) 4 0 k h z 脉冲的产生与超声波发射测距系统中采用n u 4 0 a 1 6 t r - 1 烈压电式 超声波传感器，宦的工作电压是4 0 k h z 的脉冲信号，这由单片机执行下面程序 来产生。 p u z e l ：m o v1 4 h ，# 1 2 h ；超声波发射持续2 0 0us h e r e ：c p lp 1 o ：输爨4 0 k h z 方波 n o p ： n o p ： n 0 p ： d j n z1 4 h h e r e ： r 彳 前方测距电路的输入端接单片机p i 0 端口，单片机执行上面的程序后，在 p 1 0 旆霜输出一个4 0 k h z 的酥冲信号，驱动超声波发射头发出4 0 k h z 静脉冲怒 声波，且持续发射2 0 0 ps 。右侧和友侧测距电路的输入端分别接p 1 1 和p 1 2 端网，工作原理与前方测距电路相同。 超声波熬接收与处理： 接收头采用j 发时头配时的w 4 0 a 1 6 t r l ，将超声波调制脉7 【l 【变为交变电 武汉理l ：大学硕士学能论文 压信号，经三个运算放大器组成三级回波信号放大电路将回波信号幅值放大； 荐经信号整流滤波电路将接较劐的4 0 k h z 反射波交流信号转纯成直流电征作兔 中断请求信号，送至单片机处理。 前方测距电路的输出端接荦片机i n t o 端口，中断优先级最高，左、右测距 电路的羧基逶邀与门熬羧出蔹单片规i n t t 端日，嗣对擎片枫p i 3 和p 1 4 接到 与门的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部 分源程滓如- f ： r e c e i v e i ：p u s hp s w p u s 珏矗c e c l re x l ；关外部中断l j n bp 1 1 r i g h t ；p t 1 引脚为0 ，转至右测距电路中断服务程 序 j n bp 1 2 ，l e f t ：p 1 2 引脚为0 ，特至左到距电路中断服务程序 r 疆u 鼗：s 疆8 辍l ；开舞都串羧1 p o pa c c p o pp s w r e t l r i g 盯；右测距电路中断服务程序入口 a j m pr e t u r n l e 阿：；左测距电路中断服务程序入口 a j m pr e t u 勰 计算超声波传播时间： 程启韵发射电路静丽霹瘸动擎冀橇内部静定对器彳0 ，稳掰定时器黪诗数 功能记录超声波发射的时删和收到反射波的时m 。当收到超声波反射波时，接 收电路输出端产生一个负跳变，在i n t o 或i n t l 端产生一个中断请求信号，单 片极昀应外部中断请求，执行步 部中联服务子程序，浚取对蚓蒺，计算距离。 其部分源程序如下： r e c e i v e d ：p u s hp s w p 1 5 s ha c c 武汉理l ：夫学硕士学位论文 c l re x o ；关舞帮孛錾0 m o vr 7 ，t h o ；读取时蚓馕 m o vr 6 ，t l o c l rc m o va ，r 6 s u b ba ，# o b b h ；计算时间差 m o v3 1 h ，a ；存储结栗 m o va r 7 s u b ba ，# 3 c h m o v3 0 h ，a s e t be x o ；弹外部中颤0 p o pa c c p o pp s w r t l 2 。3 s 测距系统的软件设计 软件分为两酃分，主程序和中断服务稔序，如图2 7 ( a ) ( b ) ( c ) 所承。 a ) 主程，漉程蹦( b ) 定1 1 1 f 中断服务子程序( c ) 外部中断服务予程序 图2 7 翘声波测距系统的软件设计 武汉理f 大学硕士学能沦文 主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 寇时中断服务子程序完成三方向怒声波的轮流发瓣，夕 部中断服务子程序 主要完戏时问德的读取、距离计算、结果的输出等工作。 2 。4 超声波传感器选择型号的分析 本文采用深圳金瓷科技有限公司生产的n u 4 0 a 1 6 t r - i 型压电武越声波传 感器，如图2 3 所示： 圈2 。7n u 4 0 a 1 6 t r - i 垄趋声渡传感嚣 n u 4 0 a 1 6 t r - 1 外形尺寸如图2 - 4 所示： 图2 - 8 外部尺寸大小( 单位：m m ) 武汉理f ：大学硕士学傍论文 n u 4 0 a 1 6 t r - 1 方向特性如图2 - 5 所承： di r e c t i v i t yi no v e r a l ls e n s i t i v i t y 4 3 0 0 ，穸。一 藕德 n u 4 0 a 1 6 t r - 1 性能参数： 图2 - 9 总体方向敏感度 尊0 。 型号 n u 4 8 a 1 6 t r - 1 结构密封防水型 工箨频率 4 0 0 + 1 o 秘z 声压1 0 5 d b m _ n 灵敏艘 8 2 d b m n 电容2 0 0 0 腿2 0 响应时间 1 4 m sm a x 最大输入电缀 1 2 0 v p - p 方向角 8 0 。15 。( - 6 d b ) 工作涤度 2 0 一+ 8 0 存储温度q o - + 8 0 2 5 本章小结 表2 - 3n u 4 0 a 1 6 t r 1 主黉声电参数 本章介绍了超声波测距技术特性，分析了压电式瑟声波俦感器工律原理， 对所研究系统中的超声波测距部分进行了设计，包括越声波发射、接收电路， 总体掇制电路，控制方法及部分程序，段及涮蹲系统酾总体软件设； 。最后， 对所研究的系统进行了超声波传感器的选型分析。 武汉理 ：大学硕士学侮论文 第3 章基于超声波测距的沿边走路径规划导航控制 3 。1 引言 沿墙导靛露为是智能移动搬器入特剐是室建移动规器入的黧要能力之一掰 谓沿墙导航是指移动机器人沿着墙壁的轮廓，或者在更一般意义上沿麓物体的 轮癣避行运动势保持一定豹疆离。宅霹孩看终怒移动橇器久智麓教羝鼷行爻， 当与其它高层的智能行为相结合时，可以完成复杂的任务。许多场合都要求移 动视器入具有浴墙导髋能力，如嘲： 机器人的定位及环境建模等，当己知移动机器人位置时，移动机器人可 以采用沿墙导航的策略实现环境的建禳。反之，在己知墙的位避时采用沿墙导 靛策略可以实现移动枧器入约定位。 未知环境的导航，当机器人在未知环境中工作时，可以采用沿墙导航的 策略遴行薅径戆褒翻。 障碍物的避碰，当移动机器人由于其传聪器不能了解障碍物的熬体形状 丽无法规翔萁游疆路径辩，移动税器入澄障碍纺轮廓运行运动楚令鞍为合理 的策略。 3 。2 基于超声波传感器的机器人定位及环境感知 超声波传感器的一个重要特性是镜面反射，只有当物体表而与传感器的位 置关系满足一定条件 、罄饕辍器 ， 、 0 ， 一 一一哆 x 、 ， 8 、_ - 一7 话动窗口 窝3 - l 簿礴耪位嚣懿交纯 超声波数据滤波算法如下： k + l 对刻，移动飒器入豹位置为x ，( k + 1 ) y ，( k + 1 x 最驭+ 1 ) ) 清宅点集p ： 武汉理1 ：人学硕十学位论文 f o r 点集p f k ) 中的任何一点a = ( x 。，y 。，v 。) d i s t a n 一瓜了丽i 酊瓦j 面万； v = v a 一1 ； i f ( ( d i s t a n c e 大于滔动窗口半径域者v = 0 ) 丢弃藏点： e l s e 将矗赦入豢集p ： 3 3 基于超声波测距的沿边走导航路径规划 3 3 1 沿边走算法简介 所谓沿边走，顾名思义，燎让移动机嚣人沿着墙边移动，在移动过程中， 可以不断投摆与墙边的距离调熬所走方向，这样对予在移动中自身坐标不是很 确定的移动机器入来说，可以辅助周边的事物对其当前位置避行调整。这就是 我们采用“沿边走算法”的基本出发点【6 】。 当然，我们也考虑了效率的透素。蓠先，对予移动税器入，转弯是稳当费 时的，理论上，除了顺次扫描，沿边走能有效的减少转弯的次数。另外，考虑 臻家蠲鳘智能吸尘辍器入逶常王终巧境为不大静痨蠲( 一般不筵过3 0 警张) ， 两我们采用的超声波传感器有效测距范围是2 m ，遮样，采用“沿边走算法”， 我翻憝奁游麓逮2 瓣熬空润中媲终采臻浍边走豹策旗，逛裁是滋，对于5 * 6 孚米 的房| 日j 一，采用沿边邂的策略可以扫描2 8 平米的范围( 对于这样的效率，我们 认为是可以接受豹) 露怼另外2 乎米的空翊霹以采燧扫接方法进幸亍处理。这就 怒说，沿边走算法通常会分为两个步骤来进行，首先是沿着墒边进行有次序的 掴摇：另外篷对于方蚓中捌部分的扫描。 武汉理i ：天学硕十学位论文 3 。3 2 漤边走过程 下面我们看一下，在“沿边走算法”中的笫个步骤，我们称之为沿边走 过程。在沿边走过穰中，我们会遇到以下几种情况： 瑶透静障碍秘： 对于墙边存在的障碍物，例如农柜、沙发簿，我们通常可以不去理会，因 为，对于移动机器入采说，它会搬这些障碍物当作墙壁来处理，在这里，我们 就不继续讨论了。 不在墙边，但在沿边走过程中会碰到的障碍物： 对于此类障碍物，出于不在墙边，因此，在定第一圈时，是不会碰到的， 笸由予离墙边的距离套于超声波佟感器的测距范蘑，西l 龟会记录到障碍穆锈串。 因为，我们关心的悬沿着墙壁走以及离墙壁的距离，对这类障碍物并不需要进 彳亍特别处理，藕只嚣浍墙壁的方内绕歼即可。 机器人自身定位： 为了能够提供机器人坐标系与全局坐标系的转换，机器人自身的坐标是相 当重瑟哟。摺对枧嚣入转弯的兔燎误差，我 】骏为穗信移动规器人步进枫游进 时的躐离信息。这落正是我们采用沿边走算法的主要因素之一。因为，我们认 为墙壁是直的，四周的墙壁应该形成矩形，这样在机器人沿墙边走的同时，我 露可以让辊器入与壤壁的距离来避疗是度调整。 舅一方面，在 辫边走算法中，机器人每走究圈就要将移动时离墙鼙的距 离递增，因此，我们需要对完成一圈的行走进行判断。我们鼹通过两方面的信 息进行戆： 一是角度信息，当税器人进行转弯时，记添下角度值表示当前的行走方向。 由于多数是9 0 度的转弯，因此可以对接近9 0 度的弯进行j 慝似，这样就可以根 据当静角疫值，魏羧税器入是否悫完了一圈，如栗与拐始翅艘毽据嗣，赠霹认 为在角度上机器入究成了一圈的行程。这样做，主要是有9 0 度的近似处瓒，因 此只要在一圈中误麓不超过4 5 度就可以进行判断了，另外，出于是沿边斑，在 一晷巾罄 嚣入转弯次数荠不多。鞠此，我翻可以较磐兹处嚣秘器人转弯对带寒 的角鹰洪差。 = 怒商角举标信息，这点不需1 垤多介绍，因为趼离信息始终是很霞蠛的， 武汉璃l ：大学硕十学俄论文 由于我们认为机器人步进机采样的距离信息是椴对可靠的，因此，我们对机器 天获取静壹角坐标鬣慧无需骰任秘簸瑾。 结合两方面的信息，我们就可以完整而且准确的判断“难完一圈的过程”。 非直线型障碍物： 前黼我 f j 提副的帮楚针对奁线警障碍耱的处遴，困秀我髑认为大多数簿褥 物对于机器人来说，多可以认为嫩商线型的。然而，当我们黼对非直线犁障碍 物时，会遇到手 么样的闯题呢? 在这里，我们藏来讨论一下。 曾先，对于矮边的障碍锈，翔莱是菲壹线黧的，祝器入经过时，会认为它 与墙熬的距离