1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 基于超声波技术的避障系统设计 1 前言 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，这就需要借助于移动机器人或其他智能化设备。移 动机器人也是智能化设配的一种，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。 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。二十 世纪九十年代以来，各国都专注于研究更高水平的环境信息传感器及信息处理技术
2、。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。 超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动智能化设配的测距传感器，以实现避障、定位和导航等功能 8。 超声波能量集中，在传输过程中反射能力也较强，因此，利用超声波特性做成的超声波传 感器，是移动的智能设配自主避障的常用传感器。 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。从上世纪开始，机器人技术成为国际上的主要研究方向，且被认为是衡量一个国家技术水平的重要标志之一，机器人
3、的关键技术有环境监测、定位、路径规划、自动避障等。我国也将机器人技术作为一个重要的研究方向。其中，自动避障是研究的一个重要内容。智能技术在众多的领域及生产中都得到了广泛的应用，例如在军事、医疗、交通等的应用。现在，大多数残疾人使用的智能轮椅，就有导航及自主避障的能力。 随着微处理器技术、网络技术、传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 9。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。而要智能化设配的自主避障行走的控制，所面临的基本问题是：一方面要求有充分的环境信息，为了尽可能多的获得信息，一般智能化系统会安装多种传感器。另一方面
4、要求能处理所获得的环境信息使其转化成控制信息 12。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 13。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 9。自主避障不仅仅应用在
5、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。 2 主题 自主避障技术被比较早的应用于机器人上，现代机器人的研究开 始于 20世纪中期，它的技术背景是计算机以及自动化的发展。 1946年第一台电子计算机问世，计算机取得了惊人的进步，在这基础上机器人的开发逐渐的兴盛起来。 1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人 Elektro，它由电缆控制，可以行走，会说 77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远 7。但是它让人们更加希望拥有家用机器人，为生活带来更多的方便。 1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出
6、 “ 机器人三定律 ” 。 1979年，法国图卢兹 Grialt研究小组成功研制了 HILARE，它成为了第一个应用多传 感器感知障碍物信息、创建世界模型的可移动机器人。 HILARE充分利用视觉、听觉、激光测距传感器等装置来获得周围环境的信息，以确保其能自动避开障碍物，继而稳定地在未知环境中完成指定的任务。在移动机器人的研究方面，国外的起步较早。最早是英国 W.Grey Walter在 20世纪 50年代研制的 “ ELSIE” 3，斯坦福研究院 (SKI)的 Nils Nilssen和 Charles Rosen等人，在 1966年至 1972年中研制出名为 “ Shakey” 的自主移动
7、机器人 4。20世纪 70年代末，随着计算机的应用和传感器 技术的发展，智能化设备的研究又出现了新的高潮。 20世纪 90年代以来，已经有些国家研制较好的环境信息传感器和信息处理技术，移动的智能化设备的控制技术进一步健全，开展了智能化设配的更高层次的研究。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 15。 美国在智能化设备的研
8、究方面处于世界的领先水平 。 1954年，乔治 德沃尔研究并制造出了世界上第一台可编程的机器人。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性，是世界上首次获得专利的第一台机器人16。在 1960年，美国联合内燃机公司买下德沃尔的专利，然后成立了 Unimation公司，生产出第一批名为 Unimate的商用工业机器人。不久后，美国的 AMF公司生产出与 Unimation公司生产的 Unimate一样商业化的工业机器人 “ VERSTRAN” 。这是世界上两种最早而且也最有名的机器人。后来 ,麻省理工学院，斯坦福国际研究所和斯坦福大学 等机构都陆续成立了机器人研究中心，开展了对
9、机器人的广泛研究。到六十年代后期，机器人技术的研究达到了一个高潮 10。在机器人的研究的基础上，其他智能化设配的研究也越来越广泛。 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
10、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2。这个智能轮椅具有动态避障、自动定位、实时控制等功能。日本也是一个拥有移动的智能设配研发先进技术的国家之一。日本研制智能设备的时间与美国相比要晚， 1969年日本早稻田大学加藤 郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人，从这个时期开始，仿人或者类人机器人的研究开始。日本在机器人及其他智能化技术研究上虽然起步较晚，但是由于日本政府和产业界的高度重视，并且采取了一系列鼓励使用智能化设配的措施，不久之后，日本的智能技术就得到了快速的发展，
11、并且取得了丰硕的成果。 与国外相比，国内的研究及应用起步较晚，而且我国的移动智能化设配的研究主要集中在一些高校及科研院所。我国对移动的智能化设配的研究从 70年代末期开始，经过数十年的发展，在设配的理论、设计、研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 6。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
12、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，并具有 一定的语言功能 6。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 11。经过多年的研究，我国在智
13、能化设配方面的研究也取得了一定的成绩。但是从总体上看，我国在智能设配方面的研究还是相对比较薄弱的。此外，在智能化设配的应用方面，我们就比较落后 了。国内自行研发的智能设备中，能真正以良好工作性能来用于生产，并且具有较高可靠性的并不很多。所以，我们要不断的专研，以研究出智能设配的各方各面更先进的技术，当然，自主避障是关键技术之一，然后扩大其应用范围。 3 总结 总体来说， 随着智能化设备各有关技术的发展及应用，设备在未知环境里的适应能力得到很大的提高，而且己经能在复杂的未知环境下完成一些自主运动及高难度作业。 国外的智能设备的自主避障技术发展的较为迅速，应用比较广泛，同时也为他们带来了不错的经济
14、效益。各国也已将自主避障技术列入他们的一项重要的研究。我国在 这些方面也取得了一定的研究成果，也有一部分应用到了人们的生产生活中，但是相对国外而言还是比较薄弱的。因此，我们还要不断的学习专研，以研究出更先进更具实用性的避障技术。 一 种 新的实时避障方法已 经被开发 和 应用 。这种方法 称 为 矢 量 场直方 图 法（ VFH）， 它能 检测 到 未知的障碍 物和 避免碰撞，同时 使 移动机器人朝着目标 行进 。 矢 量 场直方 图 的方法使用了二维笛卡尔方法，以网格图作为一个整体模型。所有移动的智能设备以避碰某种形式的碰撞为特点，通过原始计算来检测障碍物并使机器人停止以避免碰撞，再通过复杂
15、的算法来使机器人绕过障碍。因为他 们不仅仅涉及检测一种障碍 ,还有关于障碍的尺寸的定量测量。一旦这些被确定 ,避障算法控制机器人围绕障碍物而且继续向原先的目标行进。通常 ,该过程需要设配停在障碍物前来测得尺寸 ,然后才继续移动。早些时候提出的避障方法有边缘检测法、确信栅格法和势场法。 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 1。移动机器人是自主避障的一个典型应用，利用多个超声传感器共同探测障碍物，可以增大障碍物检测角度，获取更多的环境信息，机器人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 2。避障系统要求
16、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以及障碍物的位置 。 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 14。 为了得到较高精度的避障系统，可以采 用多路超声波传感器技术对智能设备周围的环境进行探测，从而得到较完整的有用信息。在硬件系统中，利用检波接收电路和温度补偿电路，或在 软件系统中，采用延迟接收技术， 同样可以减少电路之间的相互干扰，使系统实
17、现硬件结构简单、工作可靠、流程清晰，并能实现距离的实时显示 .总的来说，如何准确快速且连续的避开障碍物并选择最优路径还需要进一步研究。随着 机器人技术的 的发展，在未来避障技术还将被深入研究，以应用于各行各业的发展，为人类的生产生活带来更多的益处。 4 参考文献 1蔡涛 .AGV的超声波定位与避障研究 D.西安 :西安理工大学 ,2008. 2张淼 .移动机器人超声波测距与避障技术研究 D.北 京 :中国农业大学 ,2006. 3Hart A PNilssonN J,Raphael B.A formal basis for the heuristic determination of mini
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