基于多传感器信息的移动机器人定位研究.doc

浙江大学机械工程学系硕士学位论文基于多传感器信息的移动机器人定位研究姓名：王晓娟申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王宣银20100101浙江大学硕士学位论文，：，（），、，：，浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：印年月）日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权逝婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：蕞翻签字日期：弘年多月力日导师签名：豸昶签字日期：矽夕年刁月，珀浙江大学硕士学位论文致谢论文是在导师王宣银教授的悉心指导下完成的。王老师严谨的作风、求是创新的思想、精益求精的工作作风，以及对学生孜孜不倦的关怀与教诲，使我受益匪浅，我将铭记在心，作为以后指导我工作与学习的明灯特别感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的各位老师，他们在我研究生学习期间给予了无私的帮助和深切的关怀。衷心感谢课题组吴乐彬、罗语溪、富晓杰、程佳、李强、徐志鹏、张阳、皮阳军、梁冬泰、丁渊明、向桂山、李潇潇、曹松晓、孙赫、李宇鹏、雷军波、唐宏、江军、赵雁斌、余家林、戴捷、向可、宋涛等师兄弟以及李冰茹师姐的大力帮助和全力支持。感谢陆倩倩、周朝宾、李芳芳、李良才等好朋友在学习、工作、生活上给予的配合、关心、帮助和支持。感谢我的男友曹航，在我的求学生涯中和我一起经历起起伏伏，苦乐酸甜。特别感谢我的父、母亲！在我近二十年的求学生涯中，你们的纯朴和善良，感染着我能一直脚踏实地，努力向上；你们的辛勤汗水和奉献精神，让我一直感受到拥有无尽力量的支持；你们的无限关爱和笑容，是我在前进路上最大的动力和安慰！王晓娟年月于浙大求是园浙江大学硕士学位论文第章绪论第章绪论国内外移动机器人发展概况移动机器人自从五十年代初美国公司研制出世界第一台自动引导车辆系统起，作为机器人学中的一个重要分支，在家庭服务，娱乐、科学考察、星际探索、军事武器、反恐防暴等场合中有着广阔的应用前景。世纪年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究出现了新的高潮；世纪年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术、真实环境下的行为规划技术为标志，在世界范围内取得了巨大的进展旺。国外移动机器人发展概述年美国斯坦福大学研究所的和等人研制出一种典型的移动机器人，其目的是研究人工智能技术，在复杂环境下的对象识别、自主推理、路径规划及控制功能。年代开始，在美国高级研究计划局（）的资助下，、大学和等单位开展了地面无人车辆（）的研究。其中最具代表性的是根据运动跑车改装而成的试验车卯，如图所示。该系统配备的便携式高级导航支撑平台使其不仅可完成车道线自动跟踪功能，而且当车辆偏离侧道和遇到弯道时会给出安全报警。该车辆于年月完成了横穿美国大陆的自主驾驶实验，全程公里，其中自主驾驶部分占。年美国国防部正式启动了肺计划，该计划是继计划以来最重要的半自主移动机器人计划，主要研究感知、智能控制以及人机接口技术。年月份进行了的自主机动性鉴定实验，白天车辆在有植被的崎岖地形上越野导航的速度达到公里、时，夜间及湿地时为公里小时，达到了预期的目标。实验车由德国联邦国防大学与德国奔驰汽车公司于年代初期合作研制而成。车体由一辆豪华型奔驰改装而成，并配备有个小型彩色摄像机，个惯性线性加速度计和角度变化传感器以及测速表及发动机状态测量仪等传感器。该实验车已在公路上进行了车道线跟踪、障碍躲避以及自浙江大学硕学位论文第章绪论动超车等大量实验，最高车速可达。年由美国喷气式推进实验室（）研制的机器人索杰纳，如图所示，在火星登陆者的带领下成功登陆“，并离开登陆器在火星表面漫游，进行了长达三个月的科学探测任务其剃用条形教光器和摄像机自主判断前方障碍物的情况，并作出行动的决定为了在火星上进行长距离探险，美国在索杰纳的基础上进行了新一代样机的研制“，该车由太阳能电池板供电如图所示，上装有一根米高的关节式杆，杆上装有三台摄像机，两台立体广角摄像机用来对环境拍摄广角图像，一台窄角摄像机可以对岩石及其他地质特征拍摄特写图像。通过前后安装的立体摄像机达到自动导航的目的是瑞典于默奥大学开发的野外自主导航车”，该导航车利用惯性导航系统弥补全球定位系统定位不准确的缺陷，实现全局定位的要求。采用浙江太学颈士学位论文第章绪论摄像机、超声波传感嚣和红外探剥器来精确剥量障碍物距蓠机器人的位置，以达到有效的避障。国内移动机器人发展概述近年来，国内很多研究机构如中科院沈阳自动化研究所清华大学智能与系统实验室、北京航空航天大学、中南大学等，也重点开展了针对自主移动机器人技术的研究，并在理论和实际应用中都取得了令人瞩目的成果“是清华大学智能技术与系统重点实验室于至年设计实现的新一代智能移动机器人，如图所示，车体由美国道奇七座厢式车改装采用了磁罗盘光码盘和的组合定位系统，二维扫描激光雷达剥障系统，视觉处理系统。实验研究已经能够实现结构化环境下的车道线自动跟踪，准结构化环境下的道路跟踪，复杂环境下的道路避障、道路停障以及视觉临场感遥控驾驶等功能在公路上，车道线自动跟踪时平均速度，最高速度达到由中科院沈阳自动化研究所设计研制的基于复合结构的非结构环境移动机墨人”，是我国第一台呆用计算机融合红外超声、视觉电子罗盘等传感器信息的具有自主能力的轮、腿履带复合型的移动机器人。该机器人利用超声波和红外传感器探测周围障碍物的距离信息，完成避障功能，摄像头用于自身寻找、定位目标，电子罗盘用于感知航向和位姿。在国家“”计划支持下，中科院沈阳自动化研究所研制成功了“灵蜥一”、“灵蜥”以及“灵蜥”等系列化的反恐排爆机器人，如图所示，它具有探测及多种作业功能，可广泛应用于公安、武警排爆及探测”。其新颖的履带关节移动机构使该移动机器人具有很强的地面适应能力，机器人通过装备的台摄像机用于环境观察和作业控制。图清华大学圉中科院沈阳自动化研究所灵蜥一浙江大学硕士学位论文第章绪论机器人定位技术综述。引言定位是确定机器人在环境中所处位置的过程。更具体的说是利用先验地图信息、机器人当前位姿估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理，产生更加准确的机器人位置估计的过程朋。移动机器人的自主导航要解决自主定位、确定目标位置、路径规划问题三个一般性的问题，其中定位是基础和前提，因为机器人只有明确了自身位置，目标点才有意义，也才能在此基础上作出正确的路径规划。机器人的定位方法大致可以分为相对定位和绝对定位两类。相对定位的基本思想是基于测量值的累积，即通过测量相对机器人初始位置的距离和方向来计算当前位置。相对定位由于存在误差的累积问题，所以不适合长时间或长距离的定位。绝对定位方法通过测量机器人的绝对位置来实现定位。现有大部分系统一般采用相对定位和绝对定位相结合的方法，利用两者的互补性提高定位精度【（）相对定位相对定位系统常用的传感器包括里程计和惯导系统（速度陀螺、加速度计等）。里程计是通过对采样周期内由左右轮移动距离得出的距离增量和角度增量进行累加得到当前位姿的。惯导系统利用陀螺测量回转速度，加速度计测量加速度，根据测量值的一次和二次积分得到当前位姿估计。（）绝对定位绝对定位系统比较成熟的有全球定位系统（）、路标定位和基于地图匹配的定位。全球定位系统曲”，圭星（空间部分）、地面支持系统（地面监控部分）、和接收机（用户部分）组成。接收机就是利用卫星发送的精确时间和位置信息来进行定位的，该系统可以提供地球上所有点的三维坐标。路标定位方法。鲥是将传感器检测到的特征或路标与已知地图中相应的特征或路标匹配，实现定位。根据路标的不同，可分为自然路标定位和人工路标定位，其中人工路标定位技术应用的最为成熟。人工路标定位是在移动机器人的工作环境中人为设置一些坐标已知的路标，如超声波发射器、激光反射板等，机浙江大学硕士学位论文第章绪论器人通过对路标的探测来确定自身的位置。地图匹配凹是基于已知地图的定位方法，移动机器人通过自身的传感器探测周围环境，并利用感知到的局部环境信息进行局部地图构造。然后将这个局部地图与预先存储的完整地图进行比较，如两地图相互匹配，就可计算机器人当前的位置和方向。环境地图的表示环境建模是移动机器人一个基础而重要的课题。环境建模是在传感器信息的基础上，对工作环境进行二维或三维重建。地图的表示方法大致可以分为三类：栅格地图、几何地图、拓扑地图、混合地图。栅格地图，们，最早扫和提出，其是将环境地图划分为网状结构，栅格的每一单元都分配了一个概率值，表示该栅格被障碍物占据的可能性大小。此种地图的优点是模型很容易创建和维护，缺点是当为大规模环境或对环境划分粒度较细时，栅格数量随之变大，对于地图的维护所占用的内存和时间急剧增长，实时性明显降低。几何特征地图”，机器人通过感知外部环境，抽取抽象的几何特征（如线段或曲线）或更为形象的几何特征（如墙、走廊、门、房间等）。这种表示方法紧凑，便于位置估计和目标识别，但它需要一定数量的感知数据，并且经过额外的处理后才能得到结果，更新过程较栅格模型复杂。拓扑地图同样是一种紧凑的地图表示方法，特别适用于大而简单的环境。拓扑图中节点表示环境中的一个几何特征或地点，圆弧表示节点对之间的邻接。当一条圆弧连接两个节点时，则机器人可以从一个节点运行到另一个节点而不必经过其他任何中间节点。这种方法对环境变化和传感器噪声不敏感，并且存储量小，但是分辨率低精度不高、不易处理。为了满足环境模型准确性和导航规划效率两个方面的要求，许多学者对不同地图之间的组合进行了研究，继而就引出了混合地图的概念。目前复合方法主要集中在几何地图与拓扑地图乜们以及栅格与拓扑地图口们的复合两个方面上。位姿估计方法在机器人定位过程中，由于传感器和执行器的不准确性和不完备性以及外部浙江大学硕士学位论文第章绪论环境的影响，往往无法对自身状态和外部环境做单值的描述，这就构成了机器人定位过程中的不确定性羽。这种不确定性的成因总体来说主要有：（）传感器的噪声。传感器的噪声引起了相同环境下对传感器读数一致性的限制，从而，减少了传感器读数的有效内容。（）传感器读数的非唯一性，即传感器混叠问题。以安装有多超声波传感器阵列的机器人为例，由于超声波传感器只提供距离信息，没有诸如颜色、纹理等材料成分的附加数据，因此即使对于不同的环境状态，它们仍会得出相同的观测值。形式上，这是从环境状态到机器人感知输入多对一的映射，因此，即使是用无噪声的传感器，从单个感知读数得来的信息量一般也不足以识别机器人的位置。（）执行器噪声。由于环境的不完整模型，如机器人没有对轮子会打滑、人可能会推机器人这样的事实建模，这些不建模的误差因素，造成了机器人的实际运动、机器人理想运动和本体感受传感器运动估计之间的不准确性。解决机器人定位过程不确定性问题的一个很好的途径是采用基于概率的表述和推理方法，这样做的最大的好处是可以直接处理定位过程中的歧义性和不确定性。目前基于概率论的定位算法主要有：（）卡尔曼滤波（）定位归”。基于的方法采用数学上更加严密的置信度和方差矩阵处理不确定性问题。滤波器定位用单独的、充分定义的高斯概率密度函数表示机器人的信任度状态，其姿态更新也表现为位姿概率分布参数均值和方差的更新担引。它将机器人的位姿更新过程分为运动更新和感知更新两个过程，一般运动更新过程给机器人有关位置信任度提供不确定性，相反，感知更新通常改善信任度状态。在机器人定位系统中，滤波是一种高效、高精度的定位方法，特别是它可以被用在连续环境表示中。然而，一般情况下滤波器不能处理全局定位问题耵。而且如果机器人的不确定性变得太大（如机器人与物体的碰撞），并因此造成位姿非真正的单模分布时，滤波就不能捕获多个可能的机器人位置，造成定位失败。浙江大学硕士学位论文第章绪论（）马尔可夫（）定位卜卯。方法是在过程的条件下利用概率推理进行定位的过程，如果假定机器人位置的不确定性具有高斯形式，则滤波定位过程可从定位的公理导出。其核心思想与基于滤波的定位过程相同，即将定位过程也分为运动和感知更新两个过程，不同之处在于方法利用任意概率密度函数表示机器人的位姿，跟踪机器人的信任度状态。它通过将整个状态空间栅格化成地图中有限的、离散数日的可能机器人位姿，并利用每个空间单元的概率密度来表示位姿的可能概率分布，更新过程也是所有状态空间点的概率更新。这种方法的优越性在于一方面可以表示定位过程中的歧义情况，另一方面可以表示机器人对自身位置一无所知的情况，因此可以处理机器人的全局定位问题，但是由于状态空间需要离散表示，所以，其所要求的存储器和计算功能可能限制了精度和地图尺寸。（）蒙特卡罗定位（），。它是马尔可夫方法的扩展，同样采用多峰概率分布，因此可应用于全局定位。定位方法不需要直接求解概率分布函数，而是用随机采样得到的样本集合来表示位置的不确定性，因此降低了存储空间，易于实现，是一种很有效的定位方法。机器人定位展望“”虽然人们对移动机器人定位的研究已有十多年的历史，但是离机器人的完全自主化还有一定的距离，现阶段仍存在一些问题需要做深入的研究，主要表现在以下几个方面：（）机器人的地图构造问题。目前大多数的研究均假定环境是静态的，而实际环境是动态的，因此探讨非结构环境下的地图构建问题具有非常重要的实际意义。（）传感器数据与地图的匹配问题，主要集中在提高匹配算法的计算速度和位姿估计的精度以及数据关联几点上。（），即同时定位和地图构建问题。它要求机器人不断的构造地图并应用该地图计算机器人的当前位姿，是自主移动移动机器人的最终要求。（）多机器人之间协同定位问题。在一些特殊应用场合，如机器人足球比赛、多机作业等，都涉及到多机器人协同定位的问题。浙江大学硕士学位论文第章绪论课题的提出和本文研究的主要内容课题提出定位系统是移动机器人系统的一个重要部分，其相关技术是移动机器人感知自身位置、进行路径规划的一项必不可少的基础技术。定位的准确性和可靠性直接决定了移动机器人导航的准确和可靠，是保证其正确完成导航、控制任务的关键之一。单一传感器获得的信息非常有限，同时，由于传感器自身性能的限制，采集到的信息往往具有很大的不确定性。目前，一个功能较强的智能机器人通常配置有立体视觉、听觉、接近觉传感器、触觉传感器等多种传感器。多传感器系统较之于单一传感器采得的信息将大大增加，而这些信息在时间、空间、可信度、表达方式上不尽相同，因此要求采用与之相应的信息综合处理技术，以协调各传感器间的工作。在现有的智能机器人和自主式系统中，大多数使用了多种不同类型的传感器，但并没有把这些传感器作为一个整体加以分析，更像是一个多传感器的拼合系统。虽然在各传感器的信息处理与分析方面开展了大量而富有成效的工作，但由于忽视了多传感器系统的研究，使得系统效率低下而且速度缓慢。鉴于此，本文主要进行了多传感器信息在移动机器人组合定位系统中的应用方法研究，从而提高系统定位精度。论文的主要研究工作从前面的讨论可以发现，机器人的智能化离不开各种外部传感器，而多传感器系统的使用需要性能优良、运行效率高的多信息处理系统与之配套。为此，本课题以结构化环境中自主移动机器人系统为研究对象，研究多传感器信息处理技术在机器人自主定位领域里的相关问题。论文内容大致安排如下：第章，概述了国内外移动机器人的发展状况，介绍了移动机器人定位技术的概念、应用情况、方法及发展趋势，提出了本文的研究意义，最后给出了本论文的结构安排和研究的主要内容。第章，简要介绍了移动机器人的结构，同时根据移动机器人导航的需求，对电机和主要传感器选型进行了介绍，并描述了系统硬件设计过程。第章，详细介绍了基于的多超声波传感器测距系统软、硬件设计过程，综合考虑系统采样频率和多声纳间的串扰问题，采用了分组发射的工作浙江大学硕士学位论文第章绪论方式。第章，介绍了移动机器人的坐标系统模型，概述了里程计和超声波传感器的工作原理，分析了误差来源，在此基础上建立了里程计的运动模型和声纳的感知模型。第章，首先简述了传统的卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波算法，然后详细介绍了利用扩展卡尔曼滤波实现精确定位的实现过程，并与航迹推算定位进行了仿真对比分析。针对观测噪声先验信息不完备的问题，提出了基于模糊卡尔曼滤波的定位算法，该算法通过模糊理论和新息协方差匹配技术在线自适应调整观测噪声的协方差，通过仿真实验与传统进行了对比分析。第章，对全文进行总结，并对后续工作进行了展望。本章小结本章首先概述了移动机器人的发展历程，简要介绍了国内外几个典型的移动机器人系统。接下来分类介绍了移动机器人的相对定位和绝对定位技术，对比了环境地图的几种不同表示方法，通过分析机器人定位过程的不确定性，引出了现有的几种概率定位算法，同时对机器人定位未来的发展趋势进行了展望。最后给出了本论文的结构安排和研究的主要内容。浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计第章移动机器人系统设计系统结构介绍本文所设计的移动机器人载体材料采用高强度、小比重的铝合金，轻便耐用。该移动机器人可实现直线行进、转弯、原地转等多种运动形式。移动机器人采用轮式结构，相比较于履带式和腿式而言，其具有运动速度快，运行平稳且驱动技术成熟的特点。两前轮为驱动轮，前后轮通过同步带传动，且利用差速驱动原理实现转弯。此移动机器人配备有光电传感器、光电编码器和声纳传感器。其中光电传感器完成障碍物的检测功能，用于机器人避障，光电编码器和声纳传感器构成组合定位系统，完成移动机器人的位姿估计。系统硬件设计硬件整体设计硬件系统整体设计框图如图所示，为了兼顾系统数据口功能和运算能力，本系统采用单片机的双方案，选用芯片作为主，负责算法处理、电机速度测量、驱动控制、障碍物检测、与上位机以及多声纳测距板的通讯等。系列芯片为从，负责声纳的分组发射控制和信号采集，并实时将声纳测距数据传送给主进行相应的处理。图硬件系统结构总图浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计主的选型钔考虑到机器人移动过程中处理信息量大，要求实时性高，因此选用公司的位定点高速数字处理芯片作为主，这款芯片具有丰富外设资源，非常适宜做运动控制芯片，其主要特点有：（）速度快，指令周期可达。（）低功耗，采用静态工艺，口电压，内核电压（）存储资源丰富，内置，。（）外设资源丰富，包含路输出，路捕获输入，路，个模块，个模块，个总线模块，个模块，通道输入。器件选型电机选型由于直流电动机具有良好的线性调速特性、控制简单、高效率以及优异的动态性能，所以在移动机器人驱动系统中得到了广泛的应用。因此本文设计的移动机器人配置的行走电机采用直流有刷电动机。编码器本系统共配备左右轮两个光电编码器，其技术参数如表所示表编码器主要参数表输出波形方波输出相两相消耗电流输出电流响应频率相位差电源电压直流一士输出电压一脉冲数编码器的接线表如表所示浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计表编码器的接线表排线代号颜色标记信号光电开关光电开关用于检测物体的有无，当检测到障碍物时，输出低电平，否则为高电平。光电开关可分为漫反射型、对射型、回归对射型三种，漫反射型虽然检测精度不及后两者，但是安装简单，使用方便，完全满足移动机器人避障的要求，本文选用的光电传感器为常开漫反射型，探测距离可调。其性能参数见表所示。表光电开关参数表电源直流一检测距离控制输出响应时间短路极性保护有此传感器连接方式为三线电缆型，配线定义如表所示：表光电开关配线电源信号输出地电源模块如图所示，系统总电源由锂电池提供，经开关型稳压芯片后得到输出。需要两种供电电压：电压和内核电压，且上电次序要求内核电压先于电压。本文选用公司的低压差线性稳压芯片实现，如图所示，它为提供了完整的电源管理方案。该芯片不仅提供和两路电压输出，而且通过将可编程引脚上拉可保证引脚电压达到的时，才会有输出，从而有效的保证了浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计芯片工作的可靠性。图电源设计斟）一。一弋日。、亚印天十）硒一眦毪啪弋噩：亚礓蕊一一躅一讲一烈胞舵：正投厂天图电源电路复位和时钟模块外部复位引脚要求复位信号至少保持个周期。如图所示，电源芯片有一个加电启动的上电复位引脚，它与的引脚直接相连。引脚可以根据和两个手动复位引脚和也的状态控制复位信号的输出，通过将和也直连就可以达到检测的目的。当低于的，或者和有一个为低电平时，引脚输出的低电平复位信号使复位。浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计时钟模块利用内部提供的晶振电路，在和引脚之间连接一个的外部晶振，启动片内振荡器产生。经过内部模块后系统频率达到。光电编码器模块电路简介口卿包含两路正交编码脉冲电路和，共可连接两个光电编码器。以为例，其提供、和四个引脚，分别连接光电编码器的相、相和零位脉冲信号，通常连接一个外部传感器，当电机到达指定位置时，会产生一个事件脉冲信号，从而初始化或锁存位置寄存器的值。如图所示，为了提高测量精度，模块的积分解码单元将和两相信号进行倍频鉴相后得到倍于的时钟信号以及方向信号，这两个信号再进入后续的计数单元，其中提供计数脉冲，控制增减计数方向。泓！厂厂一；！厂广；厂！；一；广一；一；一一！摁：广图时钟和方向解码光电编码器和的接口电路如图所示，左右轮光电编码器输出的、相脉冲首先进入整形电路，以提高信号的抗干扰能力，本系统中采用两个施密特反相器实现。由于只能接收电平信号，因此在该系统中采用为总线收发器进行电平转换，该芯片的最大特点是采用电压供电，而输入可被或图光电编码器和的接口原理框图浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计器件驱动，最大输出不超过电源电压，从而达到和电平匹配的目的。驱动模块直流电机调速原理控制原理如图所示，其中供电电压为图所示的周期为的矩形脉冲信号。当为高电平时，可控开关（可以是三极管，）导通，此时供电电源通过开关施加到电动机两端，电源向电动机提供能量，电动机储能；当为低电平时，断开，切断了供电电源向电动机提供能量的回路，此时在导通期间电枢电感储存的能量通过续流二极管构成放电回路。图控制原理示意图由上述可知，电机两端的平均电压为：三图电压变化示意图（）其中去为占空比根据直流电机的机械特性可知，电机的转速与电机两端的平均电压成比例，因此通过改变控制波形的“占空比”来改变平均电压的大小，从而达到控制电机的转速的目的。光电隔离和前端驱动电路本系统共采用路波控制两个桥从而驱动左右轮两个行走电机。为了消除地环路引起的共阻抗耦合干扰，实现不同电压信号之间的隔离，抑制干扰传递，需要对电机的控制信号进行隔离，本系统选用芯片实现控制部分和电机驱动部分的光电隔离。在隔离前路信号首先经过通道的总线缓冲器芯片进行电平转换变为逻辑电平。分别采用和供电，因此可以工作在双电压环境中，其通过方向引脚控制总线数据流的方向。图表示其中一个桥所使用的路的光电隔离电路，另浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计一个桥和此类似，不再列出。图中、为经过电平转换后的输入控制脉冲。芯片除了起到隔离作用外，还具有信号放大作用，目的是给场效应管栅极提供较大的驱动电流。脚啪芏亡陋般三一心、嚏了主蜘暇上，：一嗍芏亡、卫三一怂护（厂主土愆图桥前端驱动电路桥驱动电路如图所示，桥驱动电路选用型场效应管和型场效应管组成上下桥臂。和为一组，和为另一组，两组的状态互补，即当一组导通时，另一组必须关断。电机正转或反转制动时，配置为关断状态，为连续饱和状态，和为周期开关状态，且浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计理论上要求同桥臂的和状态完全互补。但是，由于实际的开关器件都存在开启和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂的直通短路，为了避免这种现象的发生，实际操作时，应在同侧桥臂两个管开关切换期间加入一段共同关断的延时死区，本系统通过使能模块的死区功能实现。同理，当电机反转或正转制动时，配置为关断状态，为连续饱和状态，和为周期开关状态。啦剁：图桥驱动电路障碍物检测模块障碍物检测模块是为了防止移动机器人行走电机的长时间堵转现象发生，当检测到障碍物时通过及时的停掉电机从而避免电机的损毁。如图所示，因为光电传感器的瞬时输出电流很大，为了减少其对系统的冲击和干扰影响，需进行光电隔离处理，本文选用芯片实现。图障碍物检测模块原理框图通讯模块提供两个异步串行通信模块和，本系统利用与上位机浙江大学硕士学位论文第章移动机器人系统设计通讯，利用与多声纳测距板通讯。如图所示，采用串行接口芯片完成的电平和上位机以及声纳测距板的电平之间的转换匹配。图通讯模块原理框图本章小结本章首先概述了移动机器人的结构以及主要器件的选型，并在其基础上进行了系统硬件设计，具体介绍了电源模块、复位和时钟模块、光电编码器测速模块、直流电机驱动模块、障碍物检测模块以及通讯模块。浙江大学硬学位论文第事超声渡传感器罚距系统第章多超声波传感器测距系统超声波传感器的选择”多声纳测距系统采用的是公司生产的系列仪表级智能传感器，如图所示，它整合了系列仪表级收发一体式换能器和系列测距模块的功能，整个传感器直径不足，具有接口方便（参图）、设计紧凑、可内部触发也可外部触发、宽工作电压范围（）的优点。圉系列智能传疼器圉传枣墨引脚接线圈此传感器有单回波和多回波两种工作模式，如图所示，当和引脚接地或悬空时，传感器工作在单回波模式下，当两引脚拉高时，工作在多回波模式，本系统采用单回波模式。引脚为内部晶振器输出。单回波模式下，系统上电后至信号变成高电平之间必须至少需要的问隔，在此期间，传感器完成电路复位，稳定内部振荡器功能。此超声波传感器既可作为发射器也可作为接收器，如图所示，当信号变为高电平后驱动超声波发射探头（）发出个的连续脉冲信号，由于超声波传感器有一定的惯性，即有一个受迫振动到平衡振动再到阻尼振动的过程，故发送结束后还留有一定的余振，此余振经换能器同样产生电压信号，这种电压信号叠加到回波信号上，使电路鉴别不出真正的回波，从而扰乱了系统捕捉回波的工作，因此此超声波传感器在由低电平变成高电平之后，通过内部的延时抻制接收端接收回波信号。如果想剥量更近距离的障碍物，可毗通过将引脚拉高的办法获得。当超声波遇到障碍物返回后，通过内部的放大和谐波检测电路检制到回波信号，并将引脚置为高电平变成高电平和输出变为高电平之问的时间间隔印为超声波在传感器和障碍物往返一次的渡越时间。当准备下一次传输的时候可以输出一个低电平的信号然后再将其拉高，这样就可以使周期反复通过上进可知，此超声波传感器只需要一个信号控浙江大学硕士学位论文第章多超声波传感器测距系统制超声波发射和一个信号用于检测回波就可以完成测距任务，控制非常简便。厂一咖厂（）鬯：竺口图单回波模式工作时序图传感器的性能参数列表如下：表系列智能传感器性能参数表测距范围精度（满量程）士波束角（典型值）工作温度供电电压电流（传输期间）电流（传输后，标称）重量封装冷轧钢测距系统硬件电路设计硬件整体设计如图所示，个超声波传感器研（，）均匀分布在机器人前部且距离车体中心的半圆上，以保证覆盖机器人整个前方区域。浙江大学硕士学位论文第章多超声波传感器测距系统，跖一图声纳布局图图所示为多声纳控制系统硬件框图，系统采用通用的单片机作为核心控制器，该单片机为高性能、低功耗的位微处理器，具有片内可编程的存储器，工作频率可达。超声波传感器工作于单回波模式下，和引脚接地，悬空。图多声纳测距板原理图该系统主要由两大模块组成：一是路超声波传感器的超声波发射和回波接浙江大学硕士学位论文第章多超声波传感器测距系统收模块，二是与上位机的通讯模块。以为例，单一超声波传感器的工作过程如下：向端口输出高电平信号控制的引脚，启动一次发送接收周期，同时启动内部定时器，当超声波遇到障碍物返回后，将信号置为高电平，此信号的变化经过或门电路后引起产生外部中断，在中断程序中获取定时器的计数值，利用法就可计算对应的距离值，同时通过检测端口的电平状态可判断是哪个传感器的回波信号。由于相邻超声波传感器之间的安装角度相差，而传感器的波束角为，如果路同时发射，必然出现多路之间的串扰问题；如果采取循环的工作方式，则会降低系统的采样频率。为了解决这个矛盾，系统采用分组发射的工作方式，即，为一组，其余为第二组，这样同组相邻传感器之间的角度相差为，从而有效的消除了多路之间串扰的影响。同组内部传感器采取同时发射的工作方式，两组之间采用循环方式工作。每组个声纳的信号分别连接到一或门电路，本系统采用两路输入或门芯片实现，然后其输出信号连接到的外部中断引脚上。当产生外部中断时，根据的电平可以判断是哪个声纳的返回值。单片机最小系统单片机进行正常工作需要基本的外围电路，包括晶振电路、复位电路、电源电路。如图所示，本系统复位电路选择上电复位，晶振选择陶瓷谐振器，电源部分采用线性稳压芯片得到，具体参后面的电源模块部分。浙江大学硕士学位论文第章多超声波传感器测距系统电源模块图单片机最小系统他岫图电源模块原理图系统总电源由锂电池提供。根据系统要求，电源部分应该提供和两种电压，其中用于路超声波传感器，电压由经开关型稳压芯片后得到，如图所示，输出电压经过稳压和滤波后供给单片机和其他数字电路部分。通讯模块如图所示，为了调试方便，系统采用接：与上位机进行通讯，而可编程串行接：采用标准的”电平传送数据，所以采用串行接芯片完成和之间的电平转换浙江大学硕士学位论文第章多超声波传感器测距系统【图通讯模块原理图测距系统软件设计超声波控制与数据采集模块超声波控制与数据采集模块主要包括定时器（）周期中断分组发射控制和外部中断数据采集两部分周期中断流程如图