机器人避障超声波测距系统(硬件)

机器人避障超声波测距系统

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多的科技领域与生产部门中得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它是集精密机械、光学、电子学、检测、自动控制、计算机和人工智能等技术于一体，形成的一门综合性的新技术学科。

机器人的发展有很长的历史，早在三国时代，诸葛亮造的“木牛流马”就是古代机器人的一种雏形。机器人（robot）一词来源于 1920 年捷克作家卡雷尔·查培克所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。

在机器人发展历史上，存在两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引，技术驱动”，他们把美国开拓的机器人，结合工业发展的需求，开发出一定系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、建筑等等，从而形成了庞大的机器人产业；另一条是把机器人作为研究人工智能的载体。看成是计算机科学的一部分，单纯从技术上仿人的某些功能出发研究机器人。

自从为了抓取放射性材料而设计制造的第一台遥控机械手诞生至今已经有50多年了，而六十年代第一台工业机器人问世也40多年了。之所以当初称之为工业机器人是为了同虚构的机器人及玩具机器人加以区别。目前所说的机器人大多指工业机器人。第一代机器人，

主要指只能以“示教－再现”方式工作的机器人。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。第二代机器人具有一定的感觉装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人作出一定的推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。第三代机器人是指具有高度适应性的自治机器人，它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维判断决策，在作业环境中独立行动。作为“第三代机器人”的智能机器人是这样一类机器人：机器人本身能对所处的工作环境、工作对象及其状态做出反映，它能根据人给予的指令和“自身”对外界的了解来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。自主式移动机器人也属于智能机器人。关于移动机器人的研究涉及许多方面。首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式的、腿式的，对于水下移动机器人则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航和路径规划，对于后者，有更多的方面考虑，如传感器信息融合、特征提取、避障和环境映射等。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。在移动机器人自主行走的过程中，不可避免的会遇到一些障碍物，所以灵活、实时的避开这些障碍物是移动机器人必须拥有的一种基本能力。为了实现这种能力，移动机器人必须通过外部传感器来收集周边环境的信息数据并通过这些信息建立起外部环境的模型，从而实现类似于人的避障行为。在移动机器人环境探测的过程中，人们多采用视觉系统探测周围环境，并利

用图象信号分析处理技术获得环境信息，从而引导机器人的运动。比如，由浙江大学研究开发的以美国 TROBOT 公司ATRV－2 为平台的移动机器人，就是以放置在移动机器人上方的彩色CCD摄像机和安装在内部微机主板上的图象采集卡组成的视觉系统来探测前方障碍物。采用视觉系统避障可以获得较完整的环境信息，但由于图象处理运算量大，需要高性能的信号处理设备，致使这类系统体积较大、能耗高、实时性差。近年来，为了克服单纯视觉系统在应用上的不足，人们开始研究采用其他非摄像类传感器探测环境信息，直接采用多个廉价超声波传感器来进行测量。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

由于移动机器人具有一般机器人所不具备的移动能力，从而使之更具备“代替人”作业的实力。移动机器人在移动过程中不可避免会遇到各式各样的障碍物，灵活、实时的躲开这些障碍物是衡量其性能的关键指标。具有避障功能的移动机器人拥有相当高的社会价值，被大量应用于航天、军事、制造业、医疗、交通等。比如在制造业中，柔性装配系统(FAS)是柔性制造系统的主要组成部分。近年来，为响应产品换代的频繁变化，FAS的构形发生了很大变化，发达工业国家已出现了动态可重构形的柔性装配系统，在这类系统中，众多的具有避障功能的移动机器人代替了通用的传送带。同样具有避障功能的移

动机器人能给不能行走的残疾人士带来福音。现在，大多数残疾人士使用电子轮椅，由于驾驶这种轮椅需要相当大的技巧，对于那些残疾人士来说，灵活自如的驾驶这类轮椅将有一定的难度。而拥有自主导航和避障能力的移动机器人将轻易的解决这类问题。

1.2国内外研究现状

从 80 年代开始，美国国防高级研究计划局专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。如 DARPR 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆计划。能源部制定了为期10 年的机器人和职能系统计划，以及后来的空间机器人计划。美国 NASA 研究的火星探测机器人于 1997 年登上了火星。为了在火星上进行距离探测，又开始了新一代样机的研制，命名为 Rocky7，并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。美国的 MDARS 项目是在著名的保安机器人 ROBART 的基础上建立的一个多移动机器人平台，后来在指定地点执行随机巡逻任务。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和 1998 年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过36 小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人和移动机器人所不可比的。对机器人自主性的挑战来自要求完成的任务以及高度非结构化和变化的环境。在大多数室外环境中，要求机器人完全自主的完成任务目前还有一定的困难。远程操作的半自动机器人，毫无疑问是一个发展方向，因此先进的远程操作技术是将来必需的。国内在移动机器人的研究上起步较晚，大多数尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于