超声波避障技术设计说明

南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作者: 薛玉洁 号： 6 教学点: 工业职业技术学院 专 业: 电子工程 题 目: 超声波在小车避障技术的应用设计指导者：(姓 名) (专业技术职务)评阅者：(姓 名) (专业技术职务)倪瑛 副教授 副教授 戴娟2013 年 5 月毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要目次1 引言 (1)1.1 研究背景与意义 (1)2 超声波的避障技术 (4)2.1 小车的避障技术 (4)2.2 超声波的传播特性 (5)2.3 超声波测距技术 (5)2.4 基于单片机的超声波测距系统 (6)2.5 超声波的衰减 (6)3 超声波避障系统硬件设计 (8)3.1 方案概述 (8)3.2 方案设计 (8)3.3 元器件介绍 (9)3.4 超声波发射系统电路 (16)3.5 超声波接收系统电路 (16)3.6 相关软件、电路模块和器件清单。

(17)4 超声波避障系统的软件设计 (19)4.1 直流电机控制软件设计 (19)4.2 超声波测距模块软件设计 (19)4.3 超声波避障技术软件设计 (21)4.4 软件与硬件的整合软件与硬件的整合 (22)5 超声波避障系统调试 (23)5.1 调试过程 (23)5.2 问题分析 (26)5.3 误差分析 (26)致 (29)参考文献 (30)1 引言1.1 研究背景与意义随着机器人技术的发展,自主移动机器人以其活性和智能性等特点,在人们的生产、生活中的应用来越广泛。

自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。

而在多种探测手段中, 超声波传感器系统由于具有成本低, 安装方便, 不易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响，时间信息直观等特点, 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力, 因此在移动机器人领域有着广泛用。

本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。

同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。

智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。

如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。

超声波测距与避障系统包括硬件及软件两个部分。

硬件开发基STC89S52微控制器，集成了传感器电路、信号处理电路、微控制器外围电路及电源电路等；软件设计主要包括测距算法设计和避障算法设计。

其中，避障算法由单传感器避障策略、多传感器精确避障策略以及多传感器模糊避障策略组成。

超声波测距与避障系统的试验包括四个部分：测距系统性能试验、位姿检测试验、安全避障试验以及声纳环布局试验。

试验结果表明，系统的测距围为40cm-500cm，测距精度可实现测距围的2％以。

单路测距系统的角度扫描围为22。

可以完成正常的测距功能；障碍物材质及表面形状试验的结论，可为其他超声波障碍物检测和移动车辆安全避障策略设计提供参考；自主研发的超声波测距与避障系统，通过进一步的产品设计研究，可应用于农用车辆安全避障系统中。

智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。

与普遍意义上的机器人相比，智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。

全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。

1.2 国外研究状况机器人作为人类科技发展的新型劳动生产工具，在减轻劳动负荷、优化产业模式、提高生产率，避免作业工人从事危险、恶劣、繁重的工作等方面，显示出极大的优越性。

不过，就机器人而言，目前还没有统一的定义，而且自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个确切的定义。

欧美国家认为，机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何髙级的自动机械”。

我果科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义；“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

智能移动机器人具有高度的自规划、自组织、自适应能力，在无需人干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下，能够有目的地移动和完成相应任务。

障碍物检测是智能移动机器人、智能汽车对周边环境感知技术研究领域中的重要方面。

随着技术的发展以及利益的趋向，美国、日本、德国以及意大利等世界发达国家的很多研究机构，陆续在该研究方向作了一定程度的探索和研究，并取得了很多有价值的研究成果。

在我国，由于理论技术、基础设施建设和资金分配等因素限制，在智能机器人技术领域与世界发达国家存在相当大差距，只有为数不多研究机构在该领域做出了一些的成果。

本文按使用传感器的类型不同分为：基于超声波的障碍物检测系统、基于红外线的障碍物检测系统、基于激光的障碍物检测系统及基于多传感器融合技术的障碍物检测系统等。

20世纪60年代以来，弧焊点焊气焊、机械设备加工、喷涂刻画、设计装配、检测等各种类型，各种用途的机器人相继出现，并迅速在工业生产中实现流水线批量生产，这大大提高了各种产品的标准型和质量。

然而，随着机器人的不断完善发展，人们发现，这些同定于某一岗位工作的机器人并不能完全满足各方面的需要，不能处理复杂的应激变化。

因此，20世纪80年代后期，许多国家有组织有计划的开展了移动机器人技术的硏究。

所谓的移动机器人，就是一种具有高度自组织、自适应、自规划能力，适合于在复杂的非结构化，具有高精确度或繁重、危险工作环境中作业的机器人。

自主式移动机器人的设计目标是在没有人的参与控制且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的的移动并完成相应设定任务。

在自主移动式智能机器人的相关技术研究中，导航技术的应用是其研究的核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主调节、控制的关键技术。

导航研究的网标就是：在没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。

机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。

因此单从系统硬件层次上讲，移动机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活和精确的驱动系统。

1.3 本课题研究容本设计题目为智能避障小车设计，主要研究小车的避障功能，小车遇到障碍物时，当距离障碍物大于40cm，PWM信号自增，驱动电机加速，小车加速前进，当小于30cm 时，PWM信号自减，驱动电机减速，小车减速前进，并且小车采取相应的避障措施。

这里探测装置必不可少，因为超声波在距离检测方面的较准确定位。

所以采用超声波传感器作为探测装置，由于超声波遇到障碍物时发生像光一样的反射和散射，在经过多次发射之后再回到超声波检测端口会产生较严重的路程差，从而影响对距离的检测进而影响对障碍物的较准确定位。

通过软件部校准优化消除外部物理条件造成的误差从而达到对障碍物的较准确定位。

2 超声波的避障技术2.1 小车的避障技术2.1.1 超声波介绍超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

2.1.2 超声波避障技术就是利用超声波来检测机器人的前方是否有障碍物，机器人的前方你要放一个超声波发生器、一个超声波接收器，当超声波发生器发出去的声波遇到障碍物时，这些声波就会被反射回来，这时就利用超声波接收器接受被反射回来的声波，然后再在机器人身上面按装一个声波转化器，就是把反射回来的声波转化成其他的信号。

2.1.3 模糊避障算法设计机器人运动的环境非常复杂，而且一般情况下是未知的，因此很难建立精确的数学模型来预测障碍物的位置。

采用模糊控制算法非常适合移动机器人的避障，模糊控制器的输入是超声传感器的距离信号，输出是机器人的动作，规定机器人只能有前进或旋转两种运动方式。

根据一定控制策略，建立输入输出的模糊语言集合和模糊控制规则。

输入输出的模糊语言：模糊控制器的输入参数是机器人六个超声传感器检测到的距离信号。

把六个超声传感器的输入信号分为左右两组，每组三个，即机器人左边三个超声传感器为左组，机器人右边三个超声传感器为右组。

每次读入左组三个超声传感器测得的距离信号，选取其中最小的一个数值作为左边的输入，左边的数值用Left 表示。

同样，每次读入右组三个超声传感器测得的距离信号，选取其中最小的一个数值作为右边的输入，右边的数值用Right表示。

距离信号的模糊语言集合如下：{近，中，远}设定其相应的语言变量，并记作：ND(near distance)= 近MD(middle distance)= 中LD(long distance)= 远2.2 超声波的传播特性超声波的传播特性有以下几点：a)超声波的束射性：由于超声波频率很高，所以方向性就相对要强，方向性即柬射性。

当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性，也就是方向性好。

b）能量大：声强与振幅，质点震动频率的关系I=1/2ρCA^2ω^2，相同振幅条件下，能量与频率的平方正比。

由于频率很高，所以具有很大的能量。

c）透射、反射和折射：在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象，普通声波也有此性质。

d）超声波在人体组织中的衰减：超声波在人体组织中传播时，其强度捋随传播距离的增加而逐渐衰减。

这是人体组织对超声波的吸收、反射和散射等原因造成的，而其中吸收是最主要的。

超声波在人体组织中几乎有80%被胶原蛋白所吸收。

实验证明：在频率为1MHz—15MHz围,超声波在人体软组织中的吸收系数与超声频率成正比,如血液的吸收系数随着超声频率的增高而增大。

骨质的吸收因数最大,衰减也最大,超声很难通过骨骼进行传播。