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

畢 業(yè) 論 文

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

摘 要

隨著當(dāng)今社會(huì)消費(fèi)水準(zhǔn)的顯著提升，倉(cāng)儲(chǔ)式銷售模式已越來(lái)越多地為現(xiàn)代化大型量販賣(mài)場(chǎng)所采納。在規(guī)模宏大的倉(cāng)儲(chǔ)式超級(jí)賣(mài)場(chǎng)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(mài)場(chǎng)中推廣使用智能化移動(dòng)機(jī)器人以完成自動(dòng)上貨流程。移動(dòng)機(jī)器人在工作的時(shí)候不可避免地受到障礙物的干擾，障礙物會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)器人的工作效率，碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)機(jī)器人避障常用傳感器的基礎(chǔ)上，提出了基于超聲波測(cè)距原理的移動(dòng)機(jī)器人的避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用STC89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)完成超聲波傳感器模塊，用超聲波測(cè)距的方法檢測(cè)障礙物，通過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、左右前進(jìn)與后退，從而達(dá)到自動(dòng)避障的功能。

關(guān)鍵詞:STC89C52單片機(jī)，可移動(dòng)機(jī)器人，超聲波傳感器，超聲波測(cè)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
……（新文秘網(wǎng)http://www.120pk.cn省略1665字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
中。移動(dòng)機(jī)器人是集環(huán)境感知、動(dòng)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(cè)控系統(tǒng)，隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展可以通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其啟——轉(zhuǎn)——停以及速度的控制。無(wú)需人工干預(yù)，操作人員可以通過(guò)修改移動(dòng)機(jī)器人的控制程序來(lái)預(yù)設(shè)它的行駛方式。一直以來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人的自主避障都是一個(gè)重要課題。截至目前，實(shí)現(xiàn)避障的方法主要有超聲波避障、視覺(jué)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(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面可達(dá)到實(shí)用的要求，因此博得許多青睞。本文以現(xiàn)代化大型量販賣(mài)場(chǎng)自動(dòng)上貨機(jī)器人為研究平臺(tái)，系統(tǒng)提出、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了基于超聲波測(cè)距原理的機(jī)器人避障方案，并獲得了有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
倉(cāng)儲(chǔ)式商場(chǎng)又稱為倉(cāng)庫(kù)商店、貨倉(cāng)式商場(chǎng)、超級(jí)購(gòu)物中心等，是一種集商品銷售與商品儲(chǔ)存于一個(gè)空間的零售形式。這種商場(chǎng)規(guī)模大、投入小、價(jià)格低，大多利用閑置的倉(cāng)庫(kù)、廠房運(yùn)行。場(chǎng)內(nèi)工作人員少，應(yīng)用現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行全面管理，既為消費(fèi)者購(gòu)物帶來(lái)便利，又極大提升了商場(chǎng)的銷售管理水平。倉(cāng)儲(chǔ)式商場(chǎng)是一個(gè)完善的購(gòu)銷系統(tǒng)，現(xiàn)代化的經(jīng)營(yíng)模式?jīng)Q定了其對(duì)更高標(biāo)準(zhǔn)的智能化因素的依賴程度，采用移動(dòng)機(jī)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(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，以其體積小、功能多、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)勢(shì)得到越來(lái)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(guó)防科技等各個(gè)領(lǐng)域。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)的性能也在不斷提高，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的超聲波傳感器系統(tǒng)就是以STC89C52單片機(jī)為核心進(jìn)行研發(fā)的。
　　由于超聲波指向性強(qiáng)，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(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)，在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)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(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。
本課題是適用于測(cè)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(jī)原理與應(yīng)用、PCB線路板設(shè)計(jì)與繪制、測(cè)控電路、傳感器應(yīng)用與智能儀器等多個(gè)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(xiàng)必不可少的技能就是運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，從而為我們生活提供更多的便利。通過(guò)前期考察與和導(dǎo)師的系統(tǒng)會(huì)談，我最終選擇了智能移動(dòng)機(jī)器人避障系統(tǒng)研究的課題，通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段深入探索采用超聲波測(cè)距原理的避障傳感器的構(gòu)成與應(yīng)用。
1.2 移動(dòng)機(jī)器人研究概況
1968——1972年間，美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所（Stanford Research Institute, SRI）研制了移動(dòng)式機(jī)器人Shakey，這是首臺(tái)采用人工智能技術(shù)的移動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單移動(dòng)任務(wù)。它裝備了電視攝像機(jī)、三角測(cè)距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及編碼器，并通過(guò)無(wú)線電通訊系統(tǒng)由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算速度緩慢，導(dǎo)致Shakey往往需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間來(lái)分析并規(guī)劃路徑。
在開(kāi)創(chuàng)智能移動(dòng)機(jī)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?cè)陔S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(shí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制，這些移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制性能很不理想，在實(shí)際中往往需要外加人為的遙控操作方式。
1996年，美國(guó)國(guó)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(dòng)機(jī)器人發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，從此世界各國(guó)或國(guó)際機(jī)構(gòu)紛紛加大研究力度。
我國(guó)的移動(dòng)機(jī)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(jī)器人平臺(tái)。“九五”期間研制了“智能機(jī)器人平臺(tái)2號(hào)”。在國(guó)家“十五”863計(jì)劃中，展開(kāi)了一系列有關(guān)智能機(jī)器人方面的研究了，取得了多項(xiàng)成就，標(biāo)志著我國(guó)智能移動(dòng)機(jī)器人研發(fā)工作取得突破性進(jìn)展，有效縮短了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，并在某些領(lǐng)域取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果[1]。




第二章 超聲波測(cè)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(jī)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(shí)在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性強(qiáng)、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，常用于測(cè)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(duì)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(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，故可用電磁波波動(dòng)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(shí)間，*為傳播距離，k=2π/λ為波數(shù)，A為波長(zhǎng)， 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(dòng)頻率。在空氣中，a=2*10 ，當(dāng)振動(dòng)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(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)的e分之一，由此可以看出，頻率越高衰減越強(qiáng)，傳播距離越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，推薦選用頻率f=40kHz的超聲波。
2.2 移動(dòng)機(jī)器人常用接近覺(jué)傳感器
接近覺(jué)傳感器介于觸覺(jué)傳感器與視覺(jué)傳感器之間，既可用于距離和方位測(cè)量，也可進(jìn)行視覺(jué)、觸覺(jué)雙重復(fù)合信息處理。接近覺(jué)傳感器是移動(dòng)機(jī)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(yùn)行方向障礙物并限制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，避免碰撞發(fā)生；
② 在接觸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取必要信息以為后續(xù)動(dòng)作做準(zhǔn)備；
③ 獲取對(duì)象物表面各點(diǎn)間的距離從而進(jìn)行表面形狀測(cè)繪。
機(jī)器人接近覺(jué)傳感器分為接觸式與非接觸式兩類測(cè)量方法，對(duì)于傳感器本身而言，根據(jù)所采用的原理不同，可劃分為機(jī)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(jué)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(duì)鐵磁性材料敏感，用于近距離、小范圍內(nèi)的測(cè)量。
⑴ 電磁感應(yīng)接近覺(jué)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(duì)距離發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于這種傳感器本身具有的動(dòng)態(tài)特性，其只能用于外界物體與其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件。另一方面，隨著距離的增大，輸出信號(hào)明顯減弱，因而這種類型的傳感器只能用于很短距離的測(cè)量，一般僅限于零點(diǎn)幾毫米。
⑵ 電渦流接近覺(jué)傳感器
電渦流接近覺(jué)傳感器主要用于檢測(cè)金屬材料制成的對(duì)象物體。它是利用一個(gè)導(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)或處于交變磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)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(jiǎn)形式只包含一個(gè)線圈。這類傳感器的測(cè)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(jī)器人上用于焊縫自動(dòng)跟蹤，在其他方面應(yīng)用較少。
⑶ 霍爾效應(yīng)接近覺(jué)傳感器
保持霍爾元件的勵(lì)磁電流不變，使其在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，則輸出的霍爾電動(dòng)勢(shì)取決于它在磁場(chǎng)中的位移量。根據(jù)此原理，可以對(duì)磁性體進(jìn)行微位移測(cè)量。霍爾接近覺(jué)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(duì)鐵磁體進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)附近沒(méi)有鐵磁體時(shí)，霍爾元件感受一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)；當(dāng)鐵磁體靠近接近覺(jué)傳感器時(shí)， ……（未完，全文共26000字，當(dāng)前僅顯示4676字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于超聲波測(cè)距原理的超市自主上貨機(jī)器人避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)》）