毕业论文：基于超声波测距原理的超市自主上货机器人避障系统设计

毕 业 论 文

（科 学 研 究 报 告）
题 目 基于超声波测距原理的超市自主上货机器人避障系统设计
院(系)别 机电及自动化学院
专 业 测控技术与仪器
级 别 2008

摘 要

随着当今社会消费水准的显著提升，仓储式销售模式已越来越多地为现代化大型量贩卖场所采纳。在规模宏大的仓储式超级卖场中，液压叉车是不可或缺的码货工具。为了降低不必要的人力资源消耗，提升服务型行业智能化比重，有专家提出在大型卖场中推广使用智能化移动机器人以完成自动上货流程。移动机器人在工作的时候不可避免地受到障碍物的干扰，障碍物会严重影响机器人的工作效率，碰撞时会发生机器人损坏现象，更容易产生伤及顾客的不良后果。所以实现机器人的自主避障是十分重要的环节。本文在分析了智能移动机器人避障常用传感器的基础上，提出了基于超声波测距原理的移动机器人的避障系统设计方案，采用STC89C52单片机为核心设计完成超声波传感器模块，用超声波测距的方法检测障碍物，通过单片机对信号的处理，驱动电机的转向、左右前进与后退，从而达到自动避障的功能。

关键词:STC89C52单片机，可移动机器人，超声波传感器，超声波测距


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。移动机器人是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合测控系统，随着微计算机技术的发展可以通过单片机控制实现对其启——转——停以及速度的控制。无需人工干预，操作人员可以通过修改移动机器人的控制程序来预设它的行驶方式。一直以来，移动机器人的自主避障都是一个重要课题。截至目前，实现避障的方法主要有超声波避障、视觉避障、红外传感器避障、激光避障、微波雷达避障等。其中超声波避障实现方便，计算简单，易于实现实时控制，并且在测量精度方面可达到实用的要求，因此博得许多青睐。本文以现代化大型量贩卖场自动上货机器人为研究平台，系统提出、设计、实现了基于超声波测距原理的机器人避障方案，并获得了有效的实验结果。
仓储式商场又称为仓库商店、货仓式商场、超级购物中心等，是一种集商品销售与商品储存于一个空间的零售形式。这种商场规模大、投入小、价格低，大多利用闲置的仓库、厂房运行。场内工作人员少，应用现代电子计算机技术进行全面管理，既为消费者购物带来便利，又极大提升了商场的销售管理水平。仓储式商场是一个完善的购销系统，现代化的经营模式决定了其对更高标准的智能化因素的依赖程度，采用移动机器人进行码货工作的方式便是一大特色环节。
　　单片机作为微型计算机的一个分支，以其体积小、功能多、应用灵活等诸多优势得到越来越广泛的应用。其应用范围涉及工业控制、仪器仪表、家用电器和国防科技等各个领域。随着集成电路技术的迅速发展，单片机的性能也在不断提高，其应用的领域也不断扩大。本系统中实现自动避障的超声波传感器系统就是以STC89C52单片机为核心进行研发的。
　　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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所应用的超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
本课题是适用于测控技术与仪器专业本科学生综合能力的创新性研发课题，横跨了单片机原理与应用、PCB线路板设计与绘制、测控电路、传感器应用与智能仪器等多个研究领域及方向。作为即将完成本科学业的一名工科学生，一项必不可少的技能就是运用所学知识解决生活中的现实问题，从而为我们生活提供更多的便利。通过前期考察与和导师的系统会谈，我最终选择了智能移动机器人避障系统研究的课题，通过理论、实验相结合的手段深入探索采用超声波测距原理的避障传感器的构成与应用。
1.2 移动机器人研究概况
1968——1972年间，美国斯坦福国际研究所（Stanford Research Institute, SRI）研制了移动式机器人Shakey，这是首台采用人工智能技术的移动机器人。它具备一定的人工智能，能够进行自主感知、环境建模、行为规划并执行简单移动任务。它装备了电视摄像机、三角测距仪、碰撞传感器、驱动电机及编码器，并通过无线电通讯系统由两台计算机控制。由于当时计算速度缓慢，导致Shakey往往需要数小时的时间来分析并规划路径。
在开创智能移动机器人研发先河之后，斯坦福研究院的专家与前苏联宇航局的火星车研发专家们在随后的近十年中从不同的方向对这一领域进行了深入探索。但是，碍于当时计算机运行速度的限制，这些移动机器人的实时控制性能很不理想，在实际中往往需要外加人为的遥控操作方式。
1996年，美国国家航空和宇宙航行局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发射了火星探路者（Mars Pathfinder），1997年索杰纳（Sojourner rover）成功地在火星着陆，并在火星预定领域顺利行驶90余天以分析岩石成分并拍摄相应图片。索杰纳的成功应用在移动机器人发展史上具有划时代的意义，从此世界各国或国际机构纷纷加大研究力度。
我国的移动机器人研究工作起步较晚，“八五”期间由浙江大学、清华大学、北京理工大学、南京理工大学联合研制了ATB-1（Autonomous Test Bed-1），即军用智能机器人平台。“九五”期间研制了“智能机器人平台2号”。在国家“十五”863计划中，展开了一系列有关智能机器人方面的研究了，取得了多项成就，标志着我国智能移动机器人研发工作取得突破性进展，有效缩短了与国外先进水平的差距，并在某些领域取得了国际领先的成果[1]。




第二章 超声波测距方案分析

2.1 超声波概论
超声波是一种在弹性介质中传播的机械振荡波，它是由与介质相接触的振荡源所引起的，其频率在20 kHz以上。超声波在工业生产、医疗技术、日常生活中的应用极为广泛。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点，常用于测量物体的距离、厚度、液位等。众所周知，电磁波的传播速度为3*108 m/s，而超声波在空气中的传播速度为340 m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同媒介中具有同等的传播速度，即在相当大的频率范围内声速不随频率更改而变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，故可用电磁波波动方程进行描述。
A=A(*)•cos(ωt+k*) (2.1)
A(*)=A0•e-α* (2.1)
式中，A(*)为振幅，A0为常数，ω为圆频率，t为时间，*为传播距离，k=2π/λ为波数，A为波长， α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为：
α=a•f2 (2.1)
式中，a为介质常数，f为振动频率。在空气中，a=2*10 ，当振动的声波频率f=30kHz带入式2.1.3，可得1/α=56m,若f=40kHz，则1/α=32m，它的物理意义是：在(1/α)的长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高衰减越强，传播距离越短。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。考虑实际工程测量要求，推荐选用频率f=40kHz的超声波。
2.2 移动机器人常用接近觉传感器
接近觉传感器介于触觉传感器与视觉传感器之间，既可用于距离和方位测量，也可进行视觉、触觉双重复合信息处理。接近觉传感器是移动机器人的“感官”系统，因此具有较高的精度要求。具体的作用可归纳如下：
① 发现运行方向障碍物并限制机器人的运动范围，避免碰撞发生；
② 在接触运动过程中实时获取必要信息以为后续动作做准备；
③ 获取对象物表面各点间的距离从而进行表面形状测绘。
机器人接近觉传感器分为接触式与非接触式两类测量方法，对于传感器本身而言，根据所采用的原理不同，可划分为机械式、感应式、电容式、超声波式、光电式等，目前常用的是感应式与超声波式[2]。
2.2.1 感应式接近觉传感器
感应式传感器主要分为三种类型，分别基于法拉第电磁感应、霍尔效应与电涡流原理，仅对铁磁性材料敏感，用于近距离、小范围内的测量。
⑴ 电磁感应接近觉传感器
电磁感应传感器主要由线圈与永久磁铁构成。当二者相对距离发生变化时，线圈中产生感应电流。由于这种传感器本身具有的动态特性，其只能用于外界物体与其产生相对运动的条件。另一方面，随着距离的增大，输出信号明显减弱，因而这种类型的传感器只能用于很短距离的测量，一般仅限于零点几毫米。
⑵ 电涡流接近觉传感器
电涡流接近觉传感器主要用于检测金属材料制成的对象物体。它是利用一个导体在非均匀磁场中移动或处于交变磁场中，导体内就会出现感应电流这一基本电学原理工作的，这种感应电流就是电涡流，电涡流传感器的最简形式只包含一个线圈。这类传感器的测距范围一般在零到几十毫米之间，分辨率可达满量程的0.1%。电涡流传感器常安装于弧焊机器人上用于焊缝自动跟踪，在其他方面应用较少。
⑶ 霍尔效应接近觉传感器
保持霍尔元件的励磁电流不变，使其在一个均匀梯度的磁场中运动时，则输出的霍尔电动势取决于它在磁场中的位移量。根据此原理，可以对磁性体进行微位移测量。霍尔接近觉传感器由霍尔元件和永久磁体以一定方式联合使用构成，可对铁磁体进行检测。当附近没有铁磁体时，霍尔元件感受一个强磁场；当铁磁体靠近接近觉传感器时， ……（未完，全文共26000字，当前仅显示4676字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：基于超声波测距原理的超市自主上货机器人避障系统设计》）