超声波移动机器人控制系统设计设计

超声波移动机器人控制系统设计设计
摘要
智能机器人[1]作为现代的新发明，是未来的发展方向，它能够在一个环境里按照预定的模式自行运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等用途。

近几年来，超声波导航[2]已经成为了机器人导航的主要发展方向之一。

因为在基于超声波的智能机器人中，超声波就像机器人的眼睛，所以超声波导航是机器人发展的重要一部分。

本文采用单片机[3]为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制机器人的自动避障，快慢速行驶以及自动停车。

本文设计的超声波移动机器人主要内容包括：底盘结构设计、底盘的控制系统以及超声波传感部分。

1.底盘结构设计：机器人采用独立驱动的两轮式结构，动力源采用步进电机[4]，减速装置采用齿轮减速，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器对机器人速度进行检测，实现机器人的自主定位。

2.底盘控制系统：应用单片机接受超声波传感器的信号，做出决策然后产生驱动信号，控制步进电动机。

步进电机的驱动电路采用两个电机驱动芯片，实现步进电机的控制，完成机器人转向、加速等功能。

3.超声波传感部分：以超声波传感器做为机器人的感知系统，把接受的超声波信号通过超声波处理技术提取机器人所在环境的环境特征，实现机器人对环境信息的采集。

关键词：超声波；差动式；步进电机；移动机器人
Abstract
As a modern invention, the new intelligent robot indicate the development of the future, it can operate automatically in the pattern set in advance but not with human management. So, it can be applied in the field of scientific exploration and so on. In recent years, ultrasound has become the main way in the field of the robot navigations. Ultrasonic just like the robot's eyes, so the ultrasound navigation has played an important role in the development of the robot.
In this paper, the robot select the single chip as the core of the control system, use the ultrasonic sensors to detect obstacles on the road, and control the robot avoid the obstacle and stop the car automatically, even control the speed during the driving.
The paper about the design of the ultrasound robot includes the following parts: the design of the chassis’s structure, the control-system of the chassis and the method of some calculations about ultrasonic.
1.The Desi gn of the Chassis’s structure: the robot apply the two-wheels structure driven independently, choose the stepping motor as the power source, change the direction with the differential-velocities platform, and it also use incremental photoelectric encoder t o test the speed of the robot’s motivation which help the robot locate itself automatically.
2. The control-system of the chassis: The robot receive the signals of ultrasonic sensors with the microcontroller , which can make decisions and then generate the driving signals to control the stepper-motor. The driver-circuit applies two
motor-driver-chips to control the stepper-motor, implement the functions of steering, acceleration and others.
3. The part of Ultrasonic sensor and the algorithm: The ultrasonic sensors, as the robot's perceptual system, process the ultrasonic signal received to analyze the environmental characteristics where the robot’s in and to get the information of the environment.
Key words：Ultrasonic wave; Differential type; Step-by-steps the electrical machinery; Moves the robot
目录
摘要................................................................................................................. Abstract .. (I)
引言 0
1绪论 (1)
1.1移动机器人[5]的研究历史 (1)
1.2移动机器人的研究意义 (2)
1.3移动机器人研究的国内外现状 (3)
2超声波移动机器人方案的确定 (7)
2.1超声波移动机器人机械结构设计方案 (7)
2.2超声波移动机器人控制系统设计方案 (12)
2.3移动机器人传感器设计方案 (13)
3超声波移动机器人机械结构设计 (15)
3.1电动机的确定 (15)
3.2减速器的确定 (16)
4超声波移动机器人控制系统设计 (20)
4.1差分驱动平台运动学模型 (21)
4.2电子元件的选型 (24)
4.3移动机器人的超声波原理 (29)
结论 (37)
致谢 (38)
参考文献 (39)
附录 (40)
引言
移动机器人在不确定环境下不仅要具备自主探测的能力，而且要对周围的特征环境具有较强的识别能力，才能最大限度地提高机器人的工作能力。

在移动机器人导航控制中，准确的目标识别技术主要应用于地图匹配、机器人自定位以及全局规划和局部规划的协调统一。

而以超声波为导航仪器的移动机器人己经成为机器人发展方向之一。

超声波导航定位通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波，超声波在介质中遇到障碍物而返回到接受装置。

通过接受自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出和回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离，就能得到障碍物到机器人的距离。

长期以来被广泛的应用到移动机器人的导航与避障中，而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配准技术，因此测距速度快。

实时性好。

同时，超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等外界环境条件的影响。

超声波己经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中，进行导航与避障。

1绪论
1.1移动机器人[5]的研究历史
上个世纪60年代，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也取得了飞跃性的变化。

开始出现了现在普遍意义上的机器人。

1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名“尤尼梅逊”，意为“万能自动”。

尤尼梅逊的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。

这三部分都可以相对转动、伸缩，很像是人的手臂了。

它的发明人专门研究运动机构与控制信号的关系，可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作。

英格伯格和德沃尔认为汽车制造过程比较固定，适合用这样的机器人。

于是，这台世界上第一个真正意义上的机器人，就应用在了汽车制造生产中。

经过半个多世纪的发展，机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩，其种类也不胜枚举，几乎各个高精尖端的技术领域更是少不了它们的身影。

在这期间，机器人的成长经历了三个阶段。

第一代机器人是简单的示教再现型机器人，这类机器人需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，再不断地重复这些动作。

目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人。

它们基本上没有感觉也不会思考。

第二代机器人是低级智能机器人，或称感觉机器人。

和第一代机器人相比，低级智能机器人具有一定的感觉系统，能获取外界环境和操作对象的简单信息，可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废。

因此这类机器人又被称为自适应机器人。

20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。

第三代机器人是高级智能机器人。

它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。

这类机器人目前尚处于实验室研究探索阶段。

移动机器人是一种集环境感知，路径规划，行为控制等多项功能于一体的高智能化机械系统，能够连续、实时地实现自主控制。

其中环境感知是指机器人所使用的各种传感器，它相当于机器人的感觉器官，目前机器人应用比较多的传感器有：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器、激光测距传感器、味觉传感器等等。

而超声波机器人由于它的成本低，不易受空气环境的影响，一直是机器人发展的一个方向。

1.2移动机器人的研究意义
机器人的应用越来越广泛，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间……机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。

所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：家务型机器人、操作型机器人、程控型机器人、示教再现型机器人、数控型机器人、感觉控制机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人、智能机器人等。

家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。

目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

由此可知，无论是对民生还是军事，各个国家都已经把发展机器人技术放在重要位置上了。

所以说，对于超声波机器人或者智能机器人的研究是十分有意义的。

1.3移动机器人研究的国内外现状
目前，对机器人的研究越来越受到重视，索杰纳的成功应用，成为移动机器人技术发展的一个崭新的里程碑，向人们展现了移动机器人代替人们从事肮脏(Dirty)，危险(Dangerous)，枯燥(Dull)工作的应用潜力，激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情，世界各国或国际机构都加大了相关研究的力度。

1.3.1移动机器人研究的国外现状
美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。

经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。

综观它的发展史，虽然道路是曲折的，不平坦的，但是美国的机器人技术一直走在世界前列。

进入80年代之后，美国感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。

80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。

尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。

其技术全面、先进，适应性也很强。

具体表现在：
（1）性能可靠，功能全面，精确度高；
（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；
（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；
（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。

法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。

这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。

法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。

即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及.
德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。

到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在"改善劳动条件计划"中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。

这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。

80年代，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。

经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。

前苏联（主要是在俄罗斯），从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。

经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。

国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。

日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。

正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。

日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。

这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。

日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。

从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。

此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔”后悔不已。

日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。

1.3.2移动机器人国内的现状
我国的机器人研究相对开始较晚。

先后经历了上世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

1972年，在中国科学院沈阳自动化所里，被誉为“中国机器人之父”的蒋新松在诸多争议声中开始了机器人研究。

1977年，沈阳自动化所将智能和机器人技术确定为学科发展方向。

之后，中科院自动化学科的发展规划正式纳入机器人技术研究。

进入80年代后，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。

“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，研制出喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人等五类机型。

国家“863”计划开始实施后，跟随世界机器人的发展潮流，智能机器人主题成为主要研究方向，国内也建立了一批优秀的机器人研究基地，如北航机器人研究所、哈工大机器人研究所、上海交大机器人研究所等。

历经几年，他们成功地研制出了一批特种机器人。

90年代初期，我国的工业机器人也在实践中迈进了一大步。

点焊、弧焊、装配、喷漆、切割等各种用途的工业机器人相继出炉，形成了一批机器人产业化基地。

中科院沈阳自动化所研制成功的6000米水下机器人，能够无缆进行作业，获得2000年国家十大科技成果之一。

2006年，我国研制成功世界最大潜深载人潜水器海极一号，7000米的工作潜深，可以达到世界99.8%的海底，比世界上另外5台同类产品深500米。

经过30多年的发展，我国机器人的研究在一些方面已经达到了世界先进水平，但还存在着一些问题。

一方面，在产业化上与国际上有着一定的差距;另一方面，我国机器人研究多是借鉴外国先进技术，进行二次开发的多，自身技术创新较少。

机器人学国家重点实验室（State Key Laboratory of Robotics)是我国机器人学领域最早建立的部门重点实验室。

近二十年来，实验室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展，并在机器人技术前沿探索和示范应用等方面取得一批有重要影响的科研成果，充分显示出实验室具有解决国家重大科技问题的能力。

机器人学国家重点实验室定位于为我国经济和社会发展、国家安全和重大科学工程提供所需要的机器人技术与系统，研究机器人学基础理论与方法、发展可行技术和平台样机系统，培养和汇聚从事机器人学研究的高水平人才，推动我国先进机器人技术与系统的可持续发展。

主要面向发展具有感知、思维和动作能力的先进机器人系统，研究机器人学基础理论方法、关键技术、机器人系统集成技术和机器人应用技术。

该实验室机器人学研究总体水平在国内相关领域处于核心和带头地位，是国内外具有重要影响的机器人学研究基地。

目前我国机器人主要朝着仿人仿生方向发展，已经取得了一定的成绩，但创新不足仍是主要问题。

总体上看，我国机器人研究仍然任重而道远。

2超声波移动机器人方案的确定
2.1超声波移动机器人机械结构设计方案
2.1.1移动方式的选择
从性能上来比较履带的爬坡性能，越野性能，通行性能（对地压强）远远优于轮式车辆，战场中作为重型装甲战斗车辆基本必须用履带，不然会因为过重，对地压强过大而几乎没有野外通行能力，但履带车辆移动速度慢，机动性能差，履带容易受损。

轮式车辆移动速度比较快，机动性能很好，易于控制，移动定位效果很好，能适应复杂多变地形环境，易于维修，轮式的造价远远低于履带式车。

轮式机器人控制简单，运动单位距离所消耗的能量最小，通常比履带式移动速度快，反应灵敏，因此在移动机器人领域应用最为广泛。

本文选择轮式机器人。

轮式机器人根据车辆的数量和种类可以分为独轮、双轮、三轮、四轮、多轮等。

独轮、双轮：只采用一个或两个轮子构成其移动机构，由于其平衡控制问题难度较大，稳定性和可靠性较差，运行环境也受到一定限制，在实际应用中价值不大。

三轮：三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已经得到广泛应用，而且在实现方式上也呈现多样化。

四轮：四轮移动机构在驱动方式和结构上类似于三轮机构，但同三轮机构相比，四轮机构的确定在于其回转半径较大，转向不灵活。

多轮：尽管多轮机构在轮子布局和机械结构设计上存在较大的灵活性，但由于驱动控制原理同三轮结构没有本质区别，结构太复杂。

通过比较，我们将选择三轮移动作为机器人的移动机构。

三轮移动机构有：两轮独立驱动，前轮驱动前轮导向，后轮差速器驱动前轮导向，两后轮独立驱动前轮导向，三轮全驱动全导向等机构。

综合以上的分析与比较，本文最终选择两轮独立驱动的三轮机构作为移动机器人的驱动机构。

2.1.2动力源的选择
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机器人的动力源主要有交流电机，直流电机和步进电机。

其中
交流电机：输出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机，是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。

主要分为同步交流电机和异步交流电机两种。

直流电机：输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能，其种类主要有无刷直流电动机，永磁式直流电动机，电磁式直流电动机。

步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）
通过几种电机的比较，我们可以发现虽然直流电机虽然有诸多的优点，但机器人控制系统的判断较为精确，与此同时我们从经济条件及其的具体应用环境方面考虑得知，在此次设计中机器人动力部分选择步进电机最为合适。

2.1.3传动方式的选择
传动方式主要对比齿轮传动[6]和带传动，链传动来确定：
带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。

根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动。

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。

按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。

具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

经过比较，机器人的运动速度及电机的减速等需要有较为严格的减速比例，虽然带传动有诸多的优点，结合实际情况，本文决定选择齿轮传动。

而齿轮又分圆柱齿轮，斜齿轮，圆锥齿轮。

圆柱直齿轮用于平行轴传动，齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行，高速容易产生冲击，振动和噪音。

圆柱斜齿轮除可用于平行中传动，还可用于交叉轴传动（螺旋齿轮机构）其特点：重合系数大，传动平稳，齿轮强度高，适于重负载，相比直齿而言：斜齿有轴向力，价格太贵。

锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点,用于高速重载的场合。

但是传动需成一定角度。

直齿轮虽然有重多缺点，但由于电机转速不大，所以噪音、震动都不明显，而且直齿轮在价格上的优势非常明显，本文最终决定使用直齿轮进行传动！
2.1.4编码器的选择
编码器[7]（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

编码器常用的有绝对式和增量式两种。

1．绝对式编码器（Absolute encoder）
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位。