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 选题的背景、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中免不了会遇到各种障碍物，这就要求设备能
2、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 3。 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、传感器技术的不断进步，智能化设配作为一种功
3、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。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 10。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
4、、运动中避障和路径规划等操作 9。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。 2 相关研究的最新成果及动态 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
5、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 7。 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
6、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2。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
7、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
8、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。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 研究内容 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 1。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，智能设备可以对障碍物的方向作出更为准确的判
9、断，同时还可以减少幻影现象的干扰 2。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。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智能小车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)4。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
10、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+4。 3.2 研究方法 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 8。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，一般智能化系统会安装多种传感器；另一方面要求能处理所获得的环境信息使其转
11、化成控制信息 12。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。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 15、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。 在该避障系统中，我们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
12、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 13。 硬件系统以 STC89C52单片机作为主控芯片，其内部有 512K的数据存储器和 8K的程序存储器，并有 T0、 Tl、 T2共 3个定时器可供使用。系统主要由四部分构成：传感器单元、信号调理单元、信号处理单元和电源单元。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。当接收到信号的回波后，停止计数，计算障碍物的距离，完成此路距离测量后。开始下一路
13、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。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 d。测距精度要求比较高时，通过温度补偿的方法加以校正。 图 1 超声波测距系统框图
14、测得障碍物的距离和方位后就可以通过软件下达命令控制运动。因此，驱动控制主要通过系统给出的命令来控制其运动的速度、方向、停止与否等其他状态。 超声波测距程序的主要软件流程如下图所示，根据系统的硬件设计要求，软件设计包括以下 3个模块：主程序流程、中断程序流程以及滤波程序流程。进入主程序后，软件延时，然后将微处理器的 P1 0管脚置高，触发传感器发送超声波信号。触发信号发送后，初始化定时器和中断口，开始计时。初始化结束后，保持 P1 0口为高电平后，将 P1 0管脚置低，再延时，程序等待回波信号触发中断。延时结束后，检测下一路电路，并依次循环检测多路。接收到超声波回波后，程序进入中断。进入中断后，
15、首先关闭定时器，然后判断是否超出测距的范围：如超出，直接向 PCI04发出警报，然后退出中断；如在测距范围内，首先将计时数据存入缓存区，并对信号进行软件滤波，如信号为噪声信号，则直接退出，如信号为有效信号，利用公式计算障碍物的距离，通过串口通讯，将距离信息传输至 PCI04。在退出中断前，打开定时器。滤波程序，考虑到实时性的要求，将信号通过带通滤波器 和平滑滤波器：带通滤波判断时间信号的大小，滤除串绕噪声超声波发生器 脉冲调制 循环发射电路 单 片 机 循环接收电路 接收端 发射端 接受处理电路 及尖锐噪声，避免外界干扰信号对测距精度的影响；平滑滤波首先获取多组距离数据，然后对信号求取平均值，
16、减小电路中随机噪声的影响。测距程序在单片机中运行。 图 2 主程序流程图 N 开始 发送超声波控制信号 检测下一路 延时 定时器初始化 中断口初始化 延时 退出 中 止 Y 图 3 超声波避障判断的流程图 3.3 研究难点 智能化设配要实现自主避障行走的控制，要求有充分的环境信息。而 单传感器测距存在检测范围小的缺点，不能获得较多的环境信息。此外， 还会受到电路信号以及干扰噪声的影响。由予障碍物的定位误差和障碍物边界不清晰，经常难以获得设配运动环境的精确描述。在很多情况下为了提高机器人运动的灵活性和适应性，就必须增加传感器的个数，细分机器人与障碍物之间的距离等级，增加机器人的动作。但是，随着传
17、感器个数和距离等级划分的增加，精确避障策略控制机器人运动的难度增加，计算机处理程序的速度变慢，无法保证避障的实时性。 3.4 预期目标 利用单片机设计软件及硬件组成的超声波非接触式测距系统。在系统中，利用检波接收电路和温度补偿电路，减少电路之间的相互干扰。实现硬 件结构简单、工作可靠、流程清晰、精度高的避障系统，并能实现距离的实时显示。在检测到障碍物时，设备发出警报以防止发生碰撞。 右 左U 近 远 是 否 前方是否 有障碍物 障碍物距离 障碍物左右 哪边更开阔 慢速前进 从左边前进 从右边前进 全速前进 停止前进 4 研究工作详细进度和安排 2010 年 11 月 12 月 在 充分检索资料
18、的基础上 完成文献综述和外文翻译； 2010 年 2 月 完成开题报告； 2010 年 3 月 4 月 完成毕业设计任务书内容，设计硬件电路和软件程序； 2010 年 5 月 撰写毕业论文，准备答辩。 5 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. 3袁新娜 ,余红英 .声波传感器在智能小车避障系统中的应用 D.山西 :北大学信息与通信工程学院 ,2009. 4廖小翔 .基于超声波传感器的移动机器人避障算法研究 D.浙江 :浙江理工大学 ,2005. 5李余庆
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