1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 基于超声波技术的避障系统设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 近年来，在科学研究、紧急抢救、生产制造等生产生活中，智能化设备使用越来越广泛。在智能设备的移动过程中免不了会遇到各种障碍 物，这就要求设备能自动并且及时的避开这些障碍物。所以，关于自动避障的研究就自然而然的产生了。自动避障的实现方法各种各样，其使用的传感器主要有超声波传感器、红外线传感器、激光传感器等。 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点。所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最
2、普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业上，还有移动机器人研究上。避障是移动机器人系统成功应用的一个关键问题。所有移动机器人以避碰某种形式的碰撞为特点，通过原始计算来检测障碍 并停止机器人以避免碰撞。 本论文详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 AT89S51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题。 在该避障系统中，通过软硬件结合的方法来实现，即以 AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示的硬件电路和软件设计方法来完成。该系统电路设计合理、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并
3、且能较精确的发出障碍警报。 关键词： 超声波 单片机 测距 避障 II A Obstacle Avoidance System Design Based on Ultrasonic Technology Abstract In recent years, in scientific research, emergency rescue, manufacturing and other different fields, intelligent devices used more widely. In the process of intelligent equipment moving wil
4、l encounter all sorts of obstacles inevitably, which requires the device to avoid these obstacles automatically and timely. Therefore , research on the automatic obstacle avoidance for naturally produced. All kinds of methods can be used to realize automatic obstacle avoidance, the use of the sensor
5、s are ultrasonic sensors, infrared sensors, laser sensor etc. Ultrasonic wave has a strong directivity, energy consumption slowly, propagating distance farther. So, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together , Ultrasonic dista
6、nce measurement is the most common one at present , it is widely used in guard against theft , move backward the radar , building construction site and some other industry, and also on the research of mobile robot. Obstacle avoidance is a key issues for successful applications of mobile robot system
7、s. All mobile robots feature some kind of collision avoidance, ranging from primitive algorithms that detect an obstacle and stop the robot to avoid collision. This paper introduced the principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail , the performance and characteristic of AT89S51 ,
8、and based on the analysis of the principle of ultrasonic distance measurement, it point out the design ideas and issues need to be considered. In this obstacle avoidance system, by the method of combining software and hardware to realize， that is， namely to AT89S51 as the core with low cost and high
9、 precision, Miniature figures show of the hardware circuit and software design method to implement. Circuit design of the system is reasonable, good performance,measuring speeding soon, calculating simple, apt to accomplish real-time control and can send more precise obstacles alarm. Key Words: Ultr
10、asonic wave, One-chip computer, Range finding, obstacle avoidance III 目录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 课题的背景、意义 1 1.2国内外发展状况 1 1.3课题研究的主要内容 3 2 超声波避障原理简介 5 2.1超声波发生器 6 2.2压电式超声波发生器原理 6 2.3单片机超声波避障系统的构成 6 3 设计方案 8 3.1 AT89S51 单片机介绍 8 3.1.1 AT89S51 的主要性能参数 9 3.1.2 AT89S51 的功能特性 10 3.2超声波避障硬件电路的设计 10 3.
11、2.1 超声波测距系统 11 3.2.2 超声波发射、接收电路 11 3.2.3 显示电路 13 3.2.4 供电电路 13 3.2.5 报警输出电路 14 4 系统软件设计 15 4.1主程序设计 15 4.2超声波测距子程序 17 5 调试及结果分析 20 5.1调试步骤 20 5.2结果分析 20 参考文献 21 致谢 错误 !未定义书签。 附录 22 附录一：基于 AT89S51 单片机超声波避障系统电路原理图 22 附录二：基于 AT89S51 单片机超声波避障系统 PCB 图 23 附录三：基于 AT89S51 单片机超声波避障系统焊接组装图 24 附录四：基于 AT89S51 单
12、片机超声波避障系统程序 25 附录五：元件清单 35 基于超声波技术的避障系统设计 1 1 绪论 1.1 课题的背景、意义 目前，智能设备技术是世界上最热门的研究领域之一，很多成熟的智能化产品已经在不同领域得到广泛的应用。伴随着智能化技 术普遍涉及自动控制、电子技术、计算机、传感器和机械工程等学科技术的飞速发展，伴随着社会发展的需要，智能技术的应用环境和功能任务越来越复杂，采用的新理论、新方法、新技术也越来越多。 近年来，在科学研究、紧急抢救、生产制造等生产生活中时常会碰到一些因为有一定的危险性或其它原因而使人类所不能做到的事或不能到达的地方，这就需要借助于一些智能化设备。在智能设备的移动过程
13、中免不了会遇到各种障碍物，这就要求设备能自动并且及时的避开这些障碍物。所以，关于自动避障的研究就自然而然的产生了。随着先进技术和传感器的发展与应用，移 动的智能化设配的应用越来越多方面，其研究领域也越来越广泛。自动避障的实现方法各种各样，其使用的传感器主要有超声波传感器、红外线传感器、激光传感器等。目前，超声避障实现方便、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 1。 移动智能化设配涉及到机械、控制、传感器、计算机、人工智能与网络等多个领域，是多种先进技术发展的综合体。因此，众多学科的发展都能不断带动智能化设配的发展。随着微处理器技术、网络技术、传
14、感器技术的不断进步，智能化设配作为一种功能强大、应用广泛的多技 术融合体，渐渐地步入人们的视野 2。国内外的很多科研人员正热衷于智能化设配的开发与研究。自主避障就是在没有人的干预下使机器人有目的地移动，发现并自动避开途中的障碍物，完成指定任务和操作。设配通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作 3。它可以使设配的本体以及重要零部件不被损坏，使设配在任何环境下都能够正常且顺利的完成给定的任务。在国际上，智能化设配的研发程度已经很高，其智能化的水平也在不断提高，很多公司和机构已推出了成熟的智能化机器人产品或样机。在自主 移动机器人系统中，机器人需
15、要实时收集周围环境信息，以进行地图建立和定位、运动中避障和路径规划等操作 2。自主避障不仅仅应用在移动机器人中，在其它领域如航天、农业生产、汽车等都有广泛的应用。因此避障控制系统已经成为当今国内外研究的热门课题。 1.2 国内外发展状况 随着 机器人技术的 的发展，避障技术还将被深入研究，以应用于各行各业的基于超声波技术的避障系统设计 2 发展，为人类的生产生活带来更多的益处。移动的智能化设备的控制技术进一步健全，使得智能化设配进行更高层次的研究。各国都专注于研究集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一 体的智能化设备。随着计算机科学的发展，可以通过单片机控制来实现某些运动的智
16、能设备对其行驶方向、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智能设备的控制程序来改变它的行驶方式。例如， 随着汽车 行 业的 迅速 发展 ， 汽车本身的安全性和智能性 也越来越受到关注及 重视 。 目前 ， 国内外已经 对 有关汽车自适应驾驶 进行理论 研究 和 试 验 。 汽车的紧急避障是由计算机模拟驾驶员的主动控制过程 ， 以汽车为控制对象进行实时信号采集、分析和处理 ,在紧急情况下可代替驾驶员的驾驶操作 4。 随着社会的发展和人类生活水平的提高，人类特别是 残障人士，越来越需要通过高新技术来改善他们的生活质量。因此，用于帮助残疾人行走的轮椅机器人己逐渐成为当今社会的研
17、究热点。智能轮椅在行走过程中，自主避障是一个不可或缺的功能。智能轮椅在避障过程中，所面对的环境对象非常复杂，往往不能建立起精确的数学模型来具体描述 5。因而产生了模糊控制，它不需建立精确的数学模型，而是直接采用语言型控制规则。结合超声避障技术和模糊控制技术，使得不需精确定位和准确运动轨迹的智能化设配来说是非常有用的。另外，使用多个超声波传感器可以使机器人得到更多的环境信息，从而能更精确的定位来完 成避障任务。美国 MIT大学就成功研制了一种多传感器信息融台导航机器人轮椅 6。这个智能轮椅具有动态避障、自动定位、实时控制等功能。 我国对移动的智能化设配的研究经过数十年发展，在设配的理论、设计、研
18、制及其应用等方面都取得了一定的成果，而且有些研究成果已经得到了世界公认。清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室研制的移动机器人 清华 THMR-V型智能车。 THMR-V上装备有由彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统；由 GPS、磁罗盘、光电码盘组成的组合定位导航系统等 7。该设配能面向高速公路 和一般道路 ,可以在一定环境下自主行走，并且能识别出障碍物是人还是路障，从而做出不同的反应。目前， THMR V已经能够在简单的环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。国防科技大学研制出我国的第一台仿人型机器人“先行者”，它能以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具
19、有一定的语言功能 7。北京理工大学是国内在仿人机器人方面较有研究的机构，他们成功地研制了仿人机器人 “汇童”，它是具有视觉、力觉、平衡觉、语音对话等功能的仿人机器人。由北京中泰通科技芨展有限公司和上海交大合作研制的 “ Super DII”排爆机器人，于 2004年 6月 23H在北京展览馆参加了第二届圈际警用装备博览会，展示了它特有的功能 8。 随着计算机科学的发展，可以通过单片机控制来实现对智能设备的行驶方基于超声波技术的避障系统设计 3 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智能设备的控制程序来改变它的行驶方式。环境信息的描述是实现机器人自主式导航的算法基础。现
20、在对环境信息的建模有多种，但其中比较成功的一种方法就是南密歇根大学 J.BoreIlstein和 Y.Koren提出的矢量场直方图 (vector Field Histogmm， VFH)9。不过， VFH方法未能很好地解决栅格方法存在的环境分辨率和环境信息存储量的矛盾，它把设配当作一个点来处理，没有考虑设配的宽度、动力学和运动学特性，这使得设配实际上较难完成 VFH算法计算出来的预定轨线，所以后来又有了它的改进算法 VFH+和 VFH+9。 1.3 课题研究的主要内容 自主避障是一个集多种功能于一体的综合系统，它涉及到机械工程、控制工程、信息科学、计算机科学等多种学科 10。利用多个超声传感
21、器共同探测障碍物，可以增大障碍物检测角度，获取更多的环境信息，智能设备可以对障碍物的方向作出更为准确 的判断，同时还可以减少幻影现象的干扰 6。避障系统要求对超声波传感器信号检测结果进行处理、定位，控制路径来进行避障等问题进行较深入的研究。超声波避障系统利用单片机硬件及软件来组成超声波非接触式测距系统来测得设配离障碍物的距离。要使设备实现自主避障的功能，这就需要通过设备的硬件及软件设备来从周围环境中得到充分的环境信息，环境描述是实现智能设备避障控制算法的基础，也是自主避障的前提 11。这一方面要求有充分的环境信息，为了尽可能多的获得信息，智能化系统可以安装多种传感器；另一方面要求能处理所获得的
22、环境信息使 其转化成控制信息 12。障碍物判定的技术方法 主要有投票表决法、贝叶斯方法、 Dampster shafter方法 13、广义证据推理理论，以及根据不同的情况而专门设计的各种方法。 该避障系统通过软硬件结合的方法来实现。 要真正实现智能设配自主避障，实际就是要解决 WWH的问题 14，即： where am I? Where am I going? How should I get there?第一个问题就是智能设配的定位，也就是要明确自身所在环境的正确方位。只有当前这个问题解决之后，第二个问题有意义，最后一个 问题就是指路径规划问题，也就是要在当前位置和目标位置之间规划出一条合理
23、的路径，使得它在保证设配安全的前提下稳定的避障，并在路径长度和运行时间等指标意义上达到最优 15。 硬件系统以 AT89S51单片机作为主控芯片，首先，由微控制器控制超声波信号处理电路连续发射超声波脉冲信号，并由微处理器开始计算发射时间。当信号遇到障碍物被反射回来接收到到后，停止计数，然后计算障碍物的距离，完成此路距离测量后，开始下一路距离测量，并依次循环测量多路。当 超声波探测周围的环境信息时，在没有探测到障碍物的情况下不作出任何反应，以 原速度前进。基于超声波技术的避障系统设计 4 探测到有障碍物时，将接受到的信息传递给下一个模块进行处理，计算出障碍物的距离。 发射出的超声波向空中四面八方
24、直线传播，遇到障碍物后它可以发生反射。接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作。我们可以采用渡越时间法，就是通过检测发射的超声波与其遇到障碍物后产生回波之间的时间差 t，求出障碍物的距离 s。测距精度要求比较高时，可以通过温度补偿的方法来加以校正。 基于超声波技术的避障系统设计 5 2 超声波避障原理简介 超声波避障系统实现的主要过程是超声波测距，利用单片机硬件及软件来组成超声波非接触式测距系统来测得设备离障碍物的距离以及障碍物的位置，然后通过软件程序来判断是否需要发出警报。 超声波是由机械振动
25、产生的 ,可在不同介质中以不同的速度传播。超声波之所以经常用于距离的测量，是因为它的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距是一种非接触式的测距方式，而且对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣的环境下都有一定的适应能 力。因此，超声波测距广泛应用于液位测量、车辆自动导航、机械手控制和物体识别等方面，特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息就很容易被检测出来，因而其准确度也较其它方法高得多，而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点 18。利用超声波检测往往比较迅速、
26、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工业实用的要求。 该超声波测距一般采用时间差测距法，即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，碰到障碍物 就立即返回到超声波接收器，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时，就得到了这个时间差 t。将超声波在空气中传播的速度 v 乘以这个时间差 t，就得到了障碍物到发射点的距离。并 送至 LED数码管显示测量结果。 超声波在空气中的传播速度随温度的变化而变化，其对应值在表 2-1中已列出来了 ，再根据图 2-1 所示的计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s ，即 : 2/vts
27、。 表 2-1 声速与温度的关系 温度 ( ) 30 20 10 0 10 20 30 100 声速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 发射 40kHz脉冲 接收到的信号 基于超声波技术的避障系统设计 6 信号经过接收电路后 图 2-1 超声波测距时序图 2.1 超声波发生器 为了更 好的研究超声波，然后对其加以利用，人们已经设计并制成了许多种类的超声波发生器。大体上来说，超声波发生器可以分为两大类 : 一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气产生超声波的方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式的有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它
28、们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在该系统中使用的是压电式超声波发生器。 2.2 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器一般有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极 外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波 16。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了 9。 压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应包括顺效应和逆效应，某些电解质，当沿着一定的方向对其
29、施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这就是压电效应 17。 超声波传感器 是可逆元件，超声波发送器是利用逆压电效应的原理。所谓逆压电效应就是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在已极化的压电陶瓷上施加与压电陶瓷内部的极化电荷相同极性的电压，则外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷也相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上就伸长了。若外部施加的极性变反，则效果相反：压电陶瓷的长度方向上缩短了，厚度方向上却伸长了。 2.3 单片机超声波避障系统的构成 自主避障的前提是测得障碍物的距离，基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编 程产生频率为 40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波经障碍物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。当系统接收到超声波的反射波时，接收电路的输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断
