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首页基于超声波测距的机器人模糊避障研究.doc
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,碰撞时更会使机器人损坏,所以实现机器人的自动避障非常重要。本论文在分析了智能移动机器人避障常用传感器的基础上,提出了基于超声波传感器测距的移动机器人的模糊避障系统,详细介绍了超声波传感器的原理和特性,采用单片机AT89C52为核心,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。
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摘要: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,
碰撞时更会使机器人损坏,所以实现机器人的自动避障非常重要。本论文在分析了智能移动机器人避障
常用传感器的基础上,提出了基于超声波传感器测距的移动机器人的模糊避障系统,详细介绍了超声波
传感器的原理和特性,采用单片机 AT89C52 为核心,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。...............................................2
1 引言..........................................................................................................................................................................3
1.1 选题的背景及意义......................................................................................................................................3
1.2 机器人的发展综述......................................................................................................................................4
2 超声波测距.............................................................................................................................................................5
2.1 超声波概论..................................................................................................................................................5
2.2 两种常用的超声波测距方案......................................................................................................................6
2.2.1 基于单片机的超声波测距系统.......................................................................................................6
2.2.2 基于 CPLD 的超声波测距系统.......................................................................................................6
2.3 超声波测距的工作原理..............................................................................................................................7
3 机器人的模糊避障系统.........................................................................................................................................8
3.1 移动机器人的避障传感器..........................................................................................................................8
3.1.1 激光传感器.......................................................................................................................................8
3.1.2 视觉避障...........................................................................................................................................8
3.1.3 超声传感器.......................................................................................................................................9
3.2 避障系统设计思想......................................................................................................................................9
3.2.1 超声传感器的幻影现象..................................................................................................................9
3.2.2 模糊避障算法设计.........................................................................................................................10
4 硬件系统设计.......................................................................................................................................................12
4.1 超声波测距系统硬件设计........................................................................................................................12
4.2 单片机的内部结构....................................................................................................................................13
4.3 单片机最小系统电路................................................................................................................................14
4.4 超声波发射系统电路................................................................................................................................15
4.5 超声波接收系统电路................................................................................................................................16
4.6 显示模块的设计........................................................................................................................................17
4.7 机器人避障的硬件系统............................................................................................................................18
5 系统软件设计.......................................................................................................................................................19
6 结论与总结...........................................................................................................................................................21
致谢...........................................................................................................................................................................23
参考文献..................................................................................................................................................................23
附录 1........................................................................................................................................................................24
附录 2........................................................................................................................................................................25
系统主程序......................................................................................................................................................26
基于超声波测距的机器人模糊避障研究
电子信息工程 ***
指导老师 ***
摘要: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,碰撞时更会使机器人损坏,所以实现机器人的自动避障非常重要。本论文 在分析了智
能移动机器人避障常用传感器的基础上,提出了基于超声波传感器测距的移动机器人的模糊避
障系统,详细介绍了超声波传感器的原理和特性,采用单片机 AT89C52 为核心,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。
通过实践得出模糊避障控制机理和策略易于接受和理解,便于应用开发,模糊避障算法对
环境有很大的适应性,机器人能在不同的环境条件下实现了避障。
关键词: AT89C52 单片机;移动机器人;超声波传感器;超声波测距
- 2 -
1 引言
随着机器人技术的发展,自主移动机器人以其灵活和智能等特点,在人们的生产、生
活中的应用越来越广泛。移动机器人是一个集环境感知、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系统。随着计算机科学的发展可以通过单片机控制来实现对其
行驶方向、启动、停止以及速度的控制,无需人工干预,操作人员可以通过修改移动机器
人的控制程序来改变它的行驶方式。移动机器人的避障运动一直是一个重要课题,实现避
障的方法主要有超声波避障、视觉避障、红外传感器、激光避障、微波雷达等。目前超声
波避障实现方便,计算简单,易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到实用的要求,
因此成为常用的避障方法。本研究提出了基于超声波测距的机器人模糊避障研究,从而获
得了有效的实验结果。
1.1 选题的背景及意义
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计
算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智
能 IC
卡 ,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程
控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人超声波是
频率高于 20KHz 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。
一般认为超声波的发现是意大利科学家斯帕拉捷,他习惯晚饭后到附近的街道上散步。
他常常看到,很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去,却从不会撞到树上或者墙壁上。这个现象
引起了他的好奇:蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢?
1793 年夏天,一个晴朗的夜晚,喧腾热闹的城市渐渐平静下来。斯帕拉捷匆匆吃完饭,
便走出街口,把笼子里的蝙蝠放了出去。当他看到放出去的几只蝙蝠轻盈敏捷地来回飞翔
时,不由得惊叫起来。因为那几只蝙蝠,眼睛全被他蒙上了,都是“瞎子”呀。
斯帕拉捷为什么要把蝙蝠的眼睛蒙起来呢?原来,每当他看到蝙蝠在夜晚轻巧自如的
飞翔时,总认为这些小精灵一定长着一双特别敏锐的眼睛,假如他们的眼睛瞎了,就不可
能在黑夜中灵巧的多过各种障碍物,并且敏捷的捕捉飞蛾了。然而事实完全出乎他的意料,
斯帕拉捷很奇怪:不用眼睛,蝙蝠凭什么来辨别前方的物体,捕捉灵活的飞蛾呢?
于是,他把蝙蝠的鼻子堵住。结果,蝙蝠在空中还是飞的那么敏捷、轻松。“难道它薄
膜似的翅膀,不仅能够飞翔,而且能在夜间洞察一切吗?”斯帕拉捷这样猜想。他又捉来几
- 3 -
只蝙蝠,用油漆涂满它们的全身,然而还是没有影响到它们飞行。
最后,斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵,把它们放到夜空中。这次,蝙蝠可没有了先前的神
气,它们像无头苍蝇一样在空中东碰西撞,很快就跌落在地。
啊!蝙蝠在夜间飞行,捕捉食物,原来是靠听觉来辨别方向、确认目标的!
斯帕拉捷的实验,揭开了蝙蝠飞行的秘密,促使很多人进一步思考:蝙蝠的耳朵又怎
么能“穿透”黑夜,“听”到没有声音的物体呢?
后来人们继续研究,终于弄清了其中的奥秘。原来,蝙蝠靠喉咙发出人耳听不见的“超
声波”,这种声音沿着直线传播,一碰到物体就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵
接受到这种“超声波”,就能迅速做出判断,灵巧的自由飞翔,捕捉食物。
现在,人们利用超声波来为飞机、轮船导航,寻找地下的宝藏。超声波就像一位无声
的功臣,广泛地应用于工业、农业、医疗和军事等领域。斯帕拉捷怎么也不会想到,自己
的实验,会给人类带来如此巨大的恩惠。
1.2 机器人的发展综述
随着科学技术的不断发展,尤其计算机技术的突飞猛进,带动了其他的技术的不断的
发展,机器人就是一个典型的例子。机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇
航、国防等领域。随着技术的不断发展,人们的生活方式也慢慢的发生变化。人们在对自
然的不断探讨、改造、认识自然的过程中,制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
机器人的历史并不算长,1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器
人,机器人的历史才真正开始。 英格伯格在大学攻读伺服理论,这是一种研究运动机构如
何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统,可以“重演”所记
录的机器的运动。1954 年,德沃尔又获得可编程机械手专利,这种机械手臂按程序进行工
作,可以根据不同的工作需要编制不同的程序,因此具有通用性和灵活性,英格伯格和德
沃尔都在研究机器人,认为汽车工业最适于用机器人干活,因为是用重型机器进行工作,
生产过程较为固定。1959 年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。
随着现代科技的迅速发展,机器人正在经历着一个从初级到高级的飞跃,它正沿着达
尔文的“进化论”逐渐发展自己,壮大自己,完善自己。研制具有人类外观特征,可以模拟人
类行走与基本操作功能的类人型机器人,一直是人类机器人研究的梦想之一。类人型机器
人研究是一门综合性很强的学科,代表着一个国家的高科技发展水平。1997 年,日本本田
公司率先研制出第一台类人型步行机器人样机。目前,机器人正在进入“类人机器人”的高级
发展阶段,即无论从相貌到功能还是从思维能力和创造能力方面,都向人类“进化”,甚至在
某些方面大大超过人类,如计算能力和特异功能等。类人型机器人技术,集自动控制、体
系结构、人工智能、视觉计算、程序设计、组合导航、信息融合等众多技术于一体。专家
指出,未来的机器人在外形方面将大有改观,如目前的机器人大都为方脑袋、四方身体以
及不成比例的粗大四肢,行进时要靠轮子或只作上下、前后左右的机械运动,而未来的机
器人从相貌上来看与人无区别,它们将靠双腿行走,其上下坡和上下楼梯的平衡能力也与
- 4 -
人无异,有视觉、有嗅觉、有触觉、有思维,能与人对话,能在核反应堆工作,能灭火,
能在所有危险场合工作,甚至能为人治病,还可克隆自己和自我修复自己。总之,它们能
在各种非常艰难危险的工作中,代替人甚至超过人类去从事各种工作。它的运用潜力将在
不久的将来得到很好的验证。
而自动寻迹也是机器人领域研究的一个热点,机器人的感觉传感器种类越来越多,其
中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系
统,对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达,而基于图像的理解技术还很落后,
机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标,所以在这些方面都
很有研究的价值。
2 超声波测距
2.1 超声波概论
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,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、日常生活中的应用越来越多。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。我们知道,电磁波的
传播速度为 3×10
8
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。超声波在相同媒体里传播速度相同,即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,
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,波动方程描述方法和电磁波是类似的。
A=A(x)·cos(ωt+kx) (2.1.1)
A(x)=A
0
·e-
αx
(2.1.2)
式中,A(x)为振幅,A
0
为常数,ω 为圆频率,t 为时间,x 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·f
2
(2.1.3)
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=40kHz
带入式 2.1.3,可得 3。2×10 /cm,即 1/α=31m; 若 f=30kHz,则 1/α=56m,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
的越厉害,传播的距离越短。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,选用频率 f=40kHz 的超声波。
超声波具有如下特性:
1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
2) 超声波可传递很强的能量。
3) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
4) 超声波在液体介质中传播时,可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
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cjphzl
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