畢業(yè)論文：基于超聲波測距原理的超市自主上貨機器人避障系統(tǒng)設(shè)計

畢 業(yè) 論 文

（科 學(xué) 研 究 報 告）
題 目 基于超聲波測距原理的超市自主上貨機器人避障系統(tǒng)設(shè)計
院(系)別 機電及自動化學(xué)院
專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器
級 別 2008

摘 要

隨著當(dāng)今社會消費水準(zhǔn)的顯著提升，倉儲式銷售模式已越來越多地為現(xiàn)代化大型量販賣場所采納。在規(guī)模宏大的倉儲式超級賣場中，液壓叉車是不可或缺的碼貨工具。為了降低不必要的人力資源消耗，提升服務(wù)型行業(yè)智能化比重，有專家提出在大型賣場中推廣使用智能化移動機器人以完成自動上貨流程。移動機器人在工作的時候不可避免地受到障礙物的干擾，障礙物會嚴(yán)重影響機器人的工作效率，碰撞時會發(fā)生機器人損壞現(xiàn)象，更容易產(chǎn)生傷及顧客的不良后果。所以實現(xiàn)機器人的自主避障是十分重要的環(huán)節(jié)。本文在分析了智能移動機器人避障常用傳感器的基礎(chǔ)上，提出了基于超聲波測距原理的移動機器人的避障系統(tǒng)設(shè)計方案，采用STC89C52單片機為核心設(shè)計完成超聲波傳感器模塊，用超聲波測距的方法檢測障礙物，通過單片機對信號的處理，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向、左右前進(jìn)與后退，從而達(dá)到自動避障的功能。

關(guān)鍵詞:STC89C52單片機，可移動機器人，超聲波傳感器，超聲波測距


Abstract

With the level of social consumption today significantly improved, the warehouse sales- model has been more and more modern adopted by the vendor location. In many large-scale warehouse super stores, hydraulic forklift yards goods tool is essential. In order to reduce the unnecessary consumption of human resources and improving the intellectualized proportion of service industry, e*perts have promoted the use of intelligent mobile robots to complete automatic on the goods flow in the large stores. Mobi
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中。移動機器人是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合測控系統(tǒng)，隨著微計算機技術(shù)的發(fā)展可以通過單片機控制實現(xiàn)對其啟——轉(zhuǎn)——停以及速度的控制。無需人工干預(yù)，操作人員可以通過修改移動機器人的控制程序來預(yù)設(shè)它的行駛方式。一直以來，移動機器人的自主避障都是一個重要課題。截至目前，實現(xiàn)避障的方法主要有超聲波避障、視覺避障、紅外傳感器避障、激光避障、微波雷達(dá)避障等。其中超聲波避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面可達(dá)到實用的要求，因此博得許多青睞。本文以現(xiàn)代化大型量販賣場自動上貨機器人為研究平臺，系統(tǒng)提出、設(shè)計、實現(xiàn)了基于超聲波測距原理的機器人避障方案，并獲得了有效的實驗結(jié)果。
倉儲式商場又稱為倉庫商店、貨倉式商場、超級購物中心等，是一種集商品銷售與商品儲存于一個空間的零售形式。這種商場規(guī)模大、投入小、價格低，大多利用閑置的倉庫、廠房運行。場內(nèi)工作人員少，應(yīng)用現(xiàn)代電子計算機技術(shù)進(jìn)行全面管理，既為消費者購物帶來便利，又極大提升了商場的銷售管理水平。倉儲式商場是一個完善的購銷系統(tǒng)，現(xiàn)代化的經(jīng)營模式?jīng)Q定了其對更高標(biāo)準(zhǔn)的智能化因素的依賴程度，采用移動機器人進(jìn)行碼貨工作的方式便是一大特色環(huán)節(jié)。
　　單片機作為微型計算機的一個分支，以其體積小、功能多、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用范圍涉及工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器和國防科技等各個領(lǐng)域。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機的性能也在不斷提高，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴大。本系統(tǒng)中實現(xiàn)自動避障的超聲波傳感器系統(tǒng)就是以STC89C52單片機為核心進(jìn)行研發(fā)的。
　　由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)，在移動機器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所應(yīng)用的超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。
本課題是適用于測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科學(xué)生綜合能力的創(chuàng)新性研發(fā)課題，橫跨了單片機原理與應(yīng)用、PCB線路板設(shè)計與繪制、測控電路、傳感器應(yīng)用與智能儀器等多個研究領(lǐng)域及方向。作為即將完成本科學(xué)業(yè)的一名工科學(xué)生，一項必不可少的技能就是運用所學(xué)知識解決生活中的現(xiàn)實問題，從而為我們生活提供更多的便利。通過前期考察與和導(dǎo)師的系統(tǒng)會談，我最終選擇了智能移動機器人避障系統(tǒng)研究的課題，通過理論、實驗相結(jié)合的手段深入探索采用超聲波測距原理的避障傳感器的構(gòu)成與應(yīng)用。
1.2 移動機器人研究概況
1968——1972年間，美國斯坦福國際研究所（Stanford Research Institute, SRI）研制了移動式機器人Shakey，這是首臺采用人工智能技術(shù)的移動機器人。它具備一定的人工智能，能夠進(jìn)行自主感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行簡單移動任務(wù)。它裝備了電視攝像機、三角測距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動電機及編碼器，并通過無線電通訊系統(tǒng)由兩臺計算機控制。由于當(dāng)時計算速度緩慢，導(dǎo)致Shakey往往需要數(shù)小時的時間來分析并規(guī)劃路徑。
在開創(chuàng)智能移動機器人研發(fā)先河之后，斯坦福研究院的專家與前蘇聯(lián)宇航局的火星車研發(fā)專家們在隨后的近十年中從不同的方向?qū)@一領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索。但是，礙于當(dāng)時計算機運行速度的限制，這些移動機器人的實時控制性能很不理想，在實際中往往需要外加人為的遙控操作方式。
1996年，美國國家航空和宇宙航行局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發(fā)射了火星探路者（Mars Pathfinder），1997年索杰納（Sojourner rover）成功地在火星著陸，并在火星預(yù)定領(lǐng)域順利行駛90余天以分析巖石成分并拍攝相應(yīng)圖片。索杰納的成功應(yīng)用在移動機器人發(fā)展史上具有劃時代的意義，從此世界各國或國際機構(gòu)紛紛加大研究力度。
我國的移動機器人研究工作起步較晚，“八五”期間由浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)聯(lián)合研制了ATB-1（Autonomous Test Bed-1），即軍用智能機器人平臺。“九五”期間研制了“智能機器人平臺2號”。在國家“十五”863計劃中，展開了一系列有關(guān)智能機器人方面的研究了，取得了多項成就，標(biāo)志著我國智能移動機器人研發(fā)工作取得突破性進(jìn)展，有效縮短了與國外先進(jìn)水平的差距，并在某些領(lǐng)域取得了國際領(lǐng)先的成果[1]。




第二章 超聲波測距方案分析

2.1 超聲波概論
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機械振蕩波，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的，其頻率在20 kHz以上。超聲波在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療技術(shù)、日常生活中的應(yīng)用極為廣泛。超聲波在介質(zhì)中傳播時在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性強、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠(yuǎn)等特點，常用于測量物體的距離、厚度、液位等。眾所周知，電磁波的傳播速度為3*108 m/s，而超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，其速度相對電磁波是非常慢的。超聲波在相同媒介中具有同等的傳播速度，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率更改而變化，波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播的，故可用電磁波波動方程進(jìn)行描述。
A=A(*)•cos(ωt+k*) (2.1)
A(*)=A0•e-α* (2.1)
式中，A(*)為振幅，A0為常數(shù)，ω為圓頻率，t為時間，*為傳播距離，k=2π/λ為波數(shù)，A為波長， α為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為：
α=a•f2 (2.1)
式中，a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中，a=2*10 ，當(dāng)振動的聲波頻率f=30kHz帶入式2.1.3，可得1/α=56m,若f=40kHz，則1/α=32m，它的物理意義是：在(1/α)的長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一，由此可以看出，頻率越高衰減越強，傳播距離越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。考慮實際工程測量要求，推薦選用頻率f=40kHz的超聲波。
2.2 移動機器人常用接近覺傳感器
接近覺傳感器介于觸覺傳感器與視覺傳感器之間，既可用于距離和方位測量，也可進(jìn)行視覺、觸覺雙重復(fù)合信息處理。接近覺傳感器是移動機器人的“感官”系統(tǒng)，因此具有較高的精度要求。具體的作用可歸納如下：
① 發(fā)現(xiàn)運行方向障礙物并限制機器人的運動范圍，避免碰撞發(fā)生；
② 在接觸運動過程中實時獲取必要信息以為后續(xù)動作做準(zhǔn)備；
③ 獲取對象物表面各點間的距離從而進(jìn)行表面形狀測繪。
機器人接近覺傳感器分為接觸式與非接觸式兩類測量方法，對于傳感器本身而言，根據(jù)所采用的原理不同，可劃分為機械式、感應(yīng)式、電容式、超聲波式、光電式等，目前常用的是感應(yīng)式與超聲波式[2]。
2.2.1 感應(yīng)式接近覺傳感器
感應(yīng)式傳感器主要分為三種類型，分別基于法拉第電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)與電渦流原理，僅對鐵磁性材料敏感，用于近距離、小范圍內(nèi)的測量。
⑴ 電磁感應(yīng)接近覺傳感器
電磁感應(yīng)傳感器主要由線圈與永久磁鐵構(gòu)成。當(dāng)二者相對距離發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于這種傳感器本身具有的動態(tài)特性，其只能用于外界物體與其產(chǎn)生相對運動的條件。另一方面，隨著距離的增大，輸出信號明顯減弱，因而這種類型的傳感器只能用于很短距離的測量，一般僅限于零點幾毫米。
⑵ 電渦流接近覺傳感器
電渦流接近覺傳感器主要用于檢測金屬材料制成的對象物體。它是利用一個導(dǎo)體在非均勻磁場中移動或處于交變磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會出現(xiàn)感應(yīng)電流這一基本電學(xué)原理工作的，這種感應(yīng)電流就是電渦流，電渦流傳感器的最簡形式只包含一個線圈。這類傳感器的測距范圍一般在零到幾十毫米之間，分辨率可達(dá)滿量程的0.1%。電渦流傳感器常安裝于弧焊機器人上用于焊縫自動跟蹤，在其他方面應(yīng)用較少。
⑶ 霍爾效應(yīng)接近覺傳感器
保持霍爾元件的勵磁電流不變，使其在一個均勻梯度的磁場中運動時，則輸出的霍爾電動勢取決于它在磁場中的位移量。根據(jù)此原理，可以對磁性體進(jìn)行微位移測量�；魻柦咏X傳感器由霍爾元件和永久磁體以一定方式聯(lián)合使用構(gòu)成，可對鐵磁體進(jìn)行檢測。當(dāng)附近沒有鐵磁體時，霍爾元件感受一個強磁場；當(dāng)鐵磁體靠近接近覺傳感器時， ……（未完，全文共26000字，當(dāng)前僅顯示4676字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于超聲波測距原理的超市自主上貨機器人避障系統(tǒng)設(shè)計》）