1、I摘 要机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 本次课题研究的内容是基于超声波移动机器人的设计与分析。本文的设计内容包括：1. 机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的轮式结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用皮带传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。2. 传感器部分：使用超声波传感器作为机器人主传感器，超声波传感器位于机器人的传感器层，采用一个超声波环提高机器人测距的精度。超声波发射装置发出超声波，超声波遇到障
2、碍物反射回来，由超声波接收器接收超声波信号，获取机器人的外部信息。3.控制系统设计：控制部分采用 AT89C51 型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用 L298 控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。超声波接收器接收到信号后，经由单片机进行分析运算，得出机器人与障碍物之间的距离，然后单片机发出信号控制电机的转速发生改变，使得移动机器人可以自主地改变行进路线，实现了机器人的避障算法。关键词：移动机器人，超声波，单片机，运动控制，避障。IIAbstractRobot is an automated machine, the difference is th
3、at this machine has some similarities with the human or biological intelligence, such as perception, planning ability, motor ability, and collaboration capabilities, is a highly flexible automated machines. The content of this research project is based on ultrasonic Mobile Robot Design and Analysis.
4、 This design includes: 1.Mechanical structure design: robots with two independently driven wheel structure, the power source using brushless DC motor, gear reducer and belt drive by using the differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of ro
5、bots, robot positioning. 2.Sensor parts: the robot uses ultrasonic sensors as the primary sensor, ultrasonic sensor in the robots sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot. Send ultrasonic ultrasonic transmitter and ultrasonic obstacle reflected b
6、ack by the ultrasonic receiver receives ultrasonic signals to obtain the robots external information. 3.Control System: Control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving orders and generate drive signal, the motor drive control part is L298 chip, chip microcontroller using the re
7、ceived signals to control motor speed. Ultrasonic signal received by the receiver, the analysis by microcomputer operation, obtained the distance between the robot and obstacles, and then signal the microcontroller to change the motor control, making autonomous mobile robot can change the route of t
8、he realized robot obstacle avoidance algorithm.Keywords: Mobile Robot, ultrasound, MCU, motion control, obstacle avoidance.III目 录摘 要 .IAbstract .II前 言 .11 移动机器人概述 .21.1 机器人的研究历史 .21.2 移动机器人的意义 .41.3 移动机器人国内外发展现状 .52 超声波移动机器人设计方案的确定 .92.1 超声波移动机器人机械结构设计方案 .92.2 超声波移动机器人控制系统设计方案 .102.3 移动机器人的超声波系统设计方案
9、 .112.4 移动机器人方案总结 .123 超声波移动机器人机械机构设计 .133.1 电动机的确定 .133.2 减速器的确定 .133.3 机器人连接方式的确定 .164 超声波移动机 器人控制系统设计 .184.1 机器人的运动学方程 .184.2 单片机控制系统 .204.3 电机驱动电路系统 .215 超声波测距算法 .235.1 超声波应用的可行性 .235.2 超声波的产生和接收 .235.3 超声波的传输特性 .255.4 超声波测距原理 .265.5 计算超声波传播时间 .275.6 测渡越时间测量法 .275.7 超声波测距误差分析 .28结 论 .30致 谢 .31参考
10、文献 .32附录一 .33附录二 .361前 言随着机器人技术的发展，自主移动机器人以其灵活性和智能性等特点，在人们的生产生活中应用越来越广泛。自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态，在复杂的已知或未知环境中自主移动并完成相应的任务。当前机器人常用的传感器包括有超声波、红外、视觉传感器、激光、味觉传感器等等。而在多种传感器中，红外测距距离偏小，视觉传感器不能显示距离，激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:1）超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离
11、；2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体)；3）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；4）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们
12、听到的超声波（20kHz 以上的机械波） ，借助空气媒质的传播，由被逮捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法，超声波测距系统实际上也正是一种仿生学的应用。21 移动机器人概述1.1 机器人的研究历史早期机器人 【1】 的出现是为了实现工业自动化，而机器人被广泛的应用的也正是工业发展迅速的体现。随着人类生活水平的提高，室内机器人也逐渐地进入人们的视线，室内机器人以其体积小、灵活、自主移动等特点广泛的被人们接受，这时服务机器人大量的踊跃出现：用于医院的医疗服务机器人，用于旅游的导游机器人，用于商场的导购机器人，这些机器人的出现使得人们的生活变得
13、更加丰富多彩。1.1.1 工业机器人的发展过程早在 1959 年，德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂“Unimation 公司”。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1962 年到 1963 年之间，传感器的应用提高了机器人的可操作性，人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，其中包括：1. 1961 年恩斯特采用的触觉传感器，将触觉传感器放置于机器人的机械手上，是机器人具有感知触觉的能力。2. 1962 年托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”机器人上用到了压力传感器。3. 麦卡锡 1963 年则
14、开始在机器人中加入视觉传感系统，并在 1965 年，帮助 MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。4. 1965 年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出 Beast 机器人。Beast 已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。5.20 世纪 60 年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1.1.2 移动机器人的发展过程智能移动机器人 【2】 更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设
15、计复杂度。11968 年到 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,这是首台采用了人工智能学的移动机器人。Shakey3具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。当时计算机的体积庞大，但运算速度缓慢，导致 Shakey 往往需要数小时的时间来分析环境并规划行动路径。图 1-1 shakey2.1973 年 世界上第一次机器人和小型计算机携
16、手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron 公司的机器人 T3。31978 年 美国 Unimation 公司推出通用工业机器人 PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工厂第一线。41984 年 英格伯格再推机器人 Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。5.1998 年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。46.1999 年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(
17、AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。7.2002 年 美国 iRobot 公司推出了吸尘器机器人 Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba 是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。图 1-2 Roomba随着世界智能机器人脚步的快速前进，我国也加紧对智能机器人的研究，投入了大量的人力财力来提高国内智能机器人的发展，本课题正是在这种国际大背景下提出的。1.2 移动机器人的意义移动机器人技术对一个国家来说的至关重要的，它是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现，预示着一个国家生产力水平和综合国力
18、的发展方向。一个高端的机器人涉及到的技术包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉以及计算机技术等等，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展 【3】 。如今移动机器人在世界范围内有着良好的应用前景，在人类生活、军事应用、社会发展与科学研究中都有移动机器人的身影，尤其是随着人们生活水平的提高，移动5机器人已经走入了我们的生活，例如：1）在家里，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；2）在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；3）在商场和旅游中，导购机器人、导游机
19、器人和表演机器人能够使得人类生活变得丰富多彩；4）在军事中，爆破，排爆机器人可以使军事行动较为安全，侦察机器人可以掌握敌军信息等 【4】 。因此智能移动机器人已经成为未来社会非常有竞争力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领世界的潮流。所以我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。本文研究基于超声波的移动机器人正是考虑到超声波测距移动机器人在未来社会的发展前景。我相信随着计算机处理技术的提高、微电子技术的进步以及机器人对超声波信息处理理论与方法的逐渐完善，机器人的超声波功能将越来越强大。1.3 移动机器人国内外发展现状移动机器人在
20、多年的生产使用中，被世界公认最具有发展潜力和使用价值，在科研界也成为了机器人研究领域的一个重要分支。1.3.1 国外机器人的发展现状移动机器人最早是在国外发展起来的，所以各项技术较为纯熟，机器人的水平也相对较高。早在上个世纪八十年代，世界各国为了大力发展机器人技术，纷纷展开了各项计划，例如：1.美国国防部 DARPA 的支助下，由 CMU， Standford 大学和 MIT 等单位开展的 ALV研究；能源部制定的为期 l0 年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器人计划；2日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人形机器人计划；3欧洲尤里卡中心的机器人计划等，都体现了国外对智能移动机器人的
21、重视。除此之外，很多世界著名公司不惜重金，都开始投入到移动机器人的研究当中。进入九十年代后，随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、系列化、智能化进军，涌现出许许多多智能移动机器人。如 CMU 的 Navlab 系列移动机器人系统；德国VamorsP 和 Caravel1e 系统；日本本田公司的 P 系列和 ASIMO 人型机器人；日本索尼6的 SDR 一 3X 人型机器人和 AIBO 娱乐型机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果。如今机器人的发展越来越迅速，世界上涌现了如日本，美国，德国等一些机器人强国，他们的研究成果标志着世界最顶端的技术。1）日本的移动机器人的发展现状 日本智能移
22、动机器人，现阶段处于世界领先水平，例如在 2002 年 3 月公开的 HRP-2 人型机器人平台，其直立高度约有 5 英尺，重量接近 128 磅，有 30 个自由度。HRP-2 是为和人一同工作而设计，它可以和一个人合抬一块大木板，透过感应另一端由人施加的力和方向来掌握平衡；倘若跌倒亦能毫发无伤地再站起来，这是完成日常任务的一个基本能力。HRP-2 公开之后快速进入商业领域，合作开发公司之一的 Kawada 曾经出租这种机器人，作为实验室的研发平台。为鼓励更多的机器人应用开发，AIST 同东京大学联合开发了仿真和控制软件拟人化机器人开放平台（Open HRP）。2007 年 6 月产综研发表了
23、新型的“HRP-3 Promet Mk-II”。这部机器人具备防尘功能，可在湿滑的路面行走，亦可远距离控制，或结合自主与远距控制的操作技术以扩大其作业功能，并且能在户外严苛环境中作业。未来在基础技术的稳定性及降低成本等实用化的方向继续开发。2）美国移动机器人的发展现状 美国在这一领域一直处于领先地位。美国麻省理工学院的工程师设计出一款能悬浮在海里的潜水机器人-“奥德赛号”。 “奥德赛号”是麻省理工学院西格兰实验室研发的小型人工智能潜水装置“奥德赛”系列中的最新一款。它能在最深达 6000 米的水下活动，并能停留在任何水流中，适时调整自己的位置。同时，它还能行驶到预先设定的任何目的地。“奥德赛号
24、”不仅能简单地观察一个海底物体，还能像直升机那样，在水下负重工作。现在，利用这一装置可以造访油井、采样并带回到陆地上来。这款潜水机器人与其他类似装置最大的区别在于它能在水中垂直下沉。此外，它的速度非常快，每秒能移动约米。这一研究成果将有助于海洋学家、石油公司和海洋考古学家的工作。7图1-3 奥德赛号3）德国移动机器人的发展现状在 06 年德国世界杯上，德国政府派出了一款名为“侦探奥费罗”的反恐机器人。这款名为“侦探奥费罗”的机器人是一款游动的高智能安全机器人，可以侦测核、生物或化学武器的威胁。机器人上安装了最新的感应器，可以“嗅出”所有现今使用的战争毒气、工业毒气和放射性物质。这种机器人的灵活操作度使得人们可以及时且精确地采取措施。所以，在重大灾难事件的迅速反应和救援等方面，“侦探奥费罗”机器人能为受害者和营救人员提供更多的保护和协助。毛虫式的驱动器可以让机器人在凹凸不平的表面保持非常灵巧的运动。“机器侦探”的全部重量是 65 公斤，最长可以工作 12 小时。适应的工作温度是零下 20到60之间。它们拥有像猫头鹰一样的全方位视角，探测头可以活动 360 度，整合的 LCD和热红外摄像机让“侦探奥费罗”机器人可以在实施闯入行动之前识别潜在的违法者。而这种探测活动不会受到天气、地面情况或突发移动的影响，范围可以达到 100 米。
