基于超聲波測距的自主移動機器人路徑的規(guī)劃設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，它由于具有以下的兩大優(yōu)點而在實時機器人領域顯示出誘人的魅力：（1）主動傳感器不存在復雜的圖象匹配技術，不象立體視覺需要通過大量的計算獲取距離數據，因而實時性好，測距速度快。（2）主動傳感器不易受到如天氣狀況、光照條件及表面標記、陰影、污漬等外界條件的影響。主動傳感器工作時不僅使用自然光照，它自身也對被測物體產生光照。此外，在多數主動傳感器系統中，有源光的發(fā)送和接受是同軸的，這就從本質上解決了結構光和立體視覺方法難于解決的“消失片段”問題。 有源測距技術 在有源測距技術中，常用的主動傳感器主要有超聲波、微波雷達和激光雷達三種。（1）超聲波傳感器超聲波是一種只有少數生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺到的機械波，其頻率在20KHz以上，波長短，繞射小，能定向傳播。它具有縱波（在氣、液、固中傳播）、橫波（在固體中傳播）和表面波（沿固體表面?zhèn)鞑ィ┤N波形，而且遇到雜質或傳播界面回產生明顯的反射[13]。這種反射不是嚴格定向的，具有散射性。在移動機器人中應用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身反射的超聲波反射信號，根據超聲波發(fā)出和回波接收時間差及傳播速度，計算出傳播距離，從而得到障礙無物到機器人的距離。從發(fā)射波束特性知，由于擴散角的原因，使超聲波測距的角度分辨率較低，但距離分辨率較高。超聲波傳感器具有反應靈敏、探測速度快的優(yōu)點，而且結構簡單，體積小，成本低，因而在目前已知的移動機器人中，多數都安裝了它，用于室內和室外近距離避障。通常，以多個傳感器組成陣列形式，根據單個傳感器擴散角及反射特性。確定合理的密度，以覆蓋要求的探測區(qū)域。總的來說，超聲波傳感器的造價低廉、速度快、距離分辨率較高，但其方向性差、鏡面反射嚴重、測距范圍小，因此，比較適用于室內環(huán)境的距離測量。（2）微波雷達微波是一種電磁波，其波長為，頻率為，定向傳播及反射性能介于超聲波和激光之間。作為新型測距傳感器，其工作原理與超聲波傳感器相同。角度分辨率高于超聲波和紅外傳感器，低于激光傳感器，距離分辨率略高于超聲波傳感器。目前最大探測距離介于超聲波和激光測距之間，最小探測盲區(qū)距離略低于超聲波傳感器。微波雷達的優(yōu)點是因目標的顏色、材質等不同而引起的反射率變化小，對霧的透過率高，受灰塵、霧、雨的影響小，在各種目標和氣候條件下都能比較穩(wěn)定的進行探測。缺點是利用車載的小型天線時因為不能形成尖銳的射束，所以不能進行高精度測角。一般很難進行高精度測位。另外，根據目前的電波法規(guī)定，微波一般是不能使用的，但是不久的將來，經過修改以后，這種規(guī)定會被解除的，這項高新技術的產品，已用于國外汽車倒車及高速公路車輛間距監(jiān)測等實用技術領域，并開始安裝在新研制的移動機器人上，是一種很有前途的移動機器人深度信息傳感器。（3）激光雷達近年來，激光雷達因具有測量速度快、測程遠、測距精度高、方向性好、鏡面反射小、造價適中等優(yōu)點而受到廣泛重視。激光調制波的強度大，有利于遠距離目標的測量及目標與背景的區(qū)分；光速窄、平行性好、散射小，保證了很好的測距方向分辨率；一般為單一頻率的光波，光譜比較純，保證了較高的信噪比。通過二維或三維的掃描激光束或光平面，激光測距雷達能夠以相對高的頻率提供大量準確的距離數據。激光測距雷達與其它距離傳感器相比，它能夠較好的同時考慮到精度要求和速度要求，特別是在移動機器人領域。它與傳統獲得深度信息的方法不同，激光測距雷達不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在無環(huán)境光中工作，而且在無環(huán)境光的情況下測量效果更好。但由于光線的傳播速度極快，通常難以通過簡單的裝置估算其傳播距離，因此在簡單、低成本的應用中，并不適用。 測距傳感器的選擇性分析在本課題中，自主移動需要在實現避障和路徑規(guī)劃的基礎上，完成局部自主式移動，因此它必須對其工作環(huán)境的狀態(tài)有一清楚的了解。同時，由于涉及到不同的工作場合，成本的高低，安裝麻煩等限制，我們在設計的過程中，排除了用外部的測量、定位和導航系統的可能性。因此，在這里，機器人將依靠其自身攜帶的傳感器，通過主動探測的方式來完成對外部環(huán)境的感知。由于在實現避障和無碰撞路徑規(guī)劃的過程中，機器人本身與周圍環(huán)境以及障礙物之間的距離是最關鍵的因素。因此，我們對于傳感器的選擇，也集中在測量距離這一參數上。如上一節(jié)所述，超聲波測距技術是一種有源非接觸性測距技術，是利用超聲波在空氣中的定向傳播特性和固體反射特性，通過接收自身反射的超聲波反射信號，根據超聲波發(fā)出及回波接收時間差及傳播速度，計算出傳播距離，從而得到障礙物到機器人的距離。由于超聲波傳感器具有成本低廉，采集速度快，距離分辨率高，質量輕、體積小、易于裝卸的優(yōu)點，并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時不存在復雜的圖象匹配技術，不需要通過大量的計算就可獲得數據，因而其測距速度快，實用性好。同時超聲波傳感器不易受到天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度、裂縫等外界環(huán)境條件的影響。鑒于以上種種優(yōu)點，使得超聲波傳感器在移動機器人的應用中具有很大的優(yōu)勢。因此，在這里我們選擇超聲波測距傳感器作為智能機器人的主要傳感部件。目前，超聲波測距傳感器在移動式機器人導航中應用十分廣泛。它的測量原理是基于測量渡越時間，即測量從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經目標反射后，沿原路返回到接收換能器所需的時間。由渡越時間和介質中的聲速即可求得目標與傳感器之間的距離。 超聲波測距 為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關系，在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復雜的工作。由于外部傳感器為集多種學科為一身的產品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進一步完善，機器人的功能越來越強大，將在許多領域為人類做出更大貢獻。為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 按收發(fā)方式又分兩類：一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發(fā)射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R 。另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如R/S40，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測距有效范圍比較小，防塵、防水性能好，主要用于汽車倒車雷達。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖21所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器在機器人上的分布如圖22所示。 圖21 超聲波傳感器結構 圖22 超聲波傳感器位置分布圖 超聲波測距原理超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質的界面，會產生反射現象。利用這一特性，就可以根據測量反射波與發(fā)射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測量方法：（1）相位檢測法相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限（2）聲波幅值檢測法聲波幅值檢測法易受反射波的影響（3）渡越時間檢測法超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離：D = C T/ 2 （21）這就是渡越時間法測距機理。式中：D——距離；S——聲波在介質中傳播的速度； T——聲波傳輸所用時間。聲波在空氣中傳輸速率為： （22） 式中：T——絕對溫度；—— m/s。在測距精度不是很高的情況下，一般認為C為常數340m/s。附錄中表2列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。用于行走機器人上的超聲測距系統共有4對超聲波換能器，分別裝在前、后、左、右4個方向上。采用AT89C52單片機，由單片機定時向發(fā)射機發(fā)出控制信號，同時啟動定時器。發(fā)射機產生40KHz左右的調制脈沖，經換能器轉換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。超聲波信號在空間中傳播遇到障礙物后，將反射回波。其反射波被接受機收到后，變成電信號脈沖，該信號經放大、濾波、整流、比較后，產生負脈沖觸發(fā)單片機外部中斷讀出此時定時器值，即得出超聲波在空氣中傳播的時間。再根據公式（21）即可求得距離。 本章小結本章先介紹了移動機器人中常用的兩種測距技術——無源測距和有源測距，并對測距傳感器的選擇做了分析，討論了超聲波測距的優(yōu)越性。然后詳細講述了超聲波發(fā)生器原理和超聲波測距原理。 第三章 環(huán)境建模對環(huán)境的感知是自主式移動機器人研究的關鍵技術之一。環(huán)境信息的描述是實現機器人自主式導航的算法基礎。環(huán)境信息采集和建模描述的精確度應該以實現對機器人導航的可靠性為基礎。強制要求傳感器對環(huán)境信息采集和描述的精確度會影響傳感器的信息采集速率，增加算法復雜度和計算量，從而影響算法的實時性、可靠性和魯棒性。雖然現在對環(huán)境信息的建模方法有很多種，比較成功和有效的方法主要有勢場法和柵格法。這里僅介紹和使用柵格法來進行環(huán)境建模。 柵格法簡介柵格法(grids) 是將移動機器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網格單元，多采用二維笛卡兒矩陣柵格表示工作環(huán)境，每一個矩形柵格都有一個累積值CV ，表示在此方位中存在障礙物的可信度。CV 值越高，表征存在障礙物的可能性越高。用柵格法表示格子環(huán)境模型中存在障礙物的可能性的方法起源于美國CMU大學。通過優(yōu)化算法在單元中搜索最優(yōu)路徑。由于該方法以柵格為單位記錄環(huán)境信息，環(huán)境被量化成具有一定分辨率的柵格，因此柵格的大小直接影響著環(huán)境信息存儲量的大小以及路徑搜索的時間，因此在實用上受到一定的限制。柵格法將基于傳感器系統的地圖模型識別法和測距法相結合，環(huán)境描述易于創(chuàng)建和維護，對某個網絡的感知信息可直接與環(huán)境中某個區(qū)域對應，機器人對所測的障礙物具體形狀不太敏感，具有直觀簡潔、分辨率高等特點，適用于室內等中小環(huán)境路徑規(guī)劃地圖模型的建立[14]。柵格法與其它環(huán)境建模方法相比具有以下特點：（1）所建立的柵格跟系統所采用的傳感器類