一种基于超声波的避障小车.docx

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一种基于超声波的避障小车

摘要

随着机器人技术的发展,自主移动机器人以其活性和智能性等特点,在人们的生产、生活中的应用来越广泛。

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,在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。

而在多种探测手段中,超声波传感器系统由于具有成本低,安装方便,易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响,时间信息直观等特点,对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力,因此在移动机器人领域有着广泛的应用。

针对一种基于光电寻迹、超声波和光电接近开关的避障小车，通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述移动机器人通过传感器系统感知外界环境和自身状态,在复杂的环境中自主移动并完成相应的任务。

超声波传感器以其独有的特征而被青睐。

本文利用两个超声波传感器对障碍物进行定位,从而使机器人顺利到达结构化环境中的目标。

该智能小车系统涉及计算机控制技术、路径识别、传感技术、电子设计、程序设计、机械设计等多个学科，在全国ROBOCUP机器人大赛中取得了优异的成绩，磨练我们的知识融合和实践动手能力的培养。

在此感谢学校学院的大力支持及指导老师悉心的教导。

第一章总体方案

本章主要简要地介绍系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。

1.1需求分析

设计一种基于光电寻迹的小车移动平台，借助超声波传感器、光电接近开关传感器的使用满足在一定的复杂的环境中自主寻迹移动、避障任务。

1.2总体设计

通过学习和研究相关技术资料了解到，路径识别模块是系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定系统总体方案的关键。

前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和CCD/CMOS传感器。

光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限；CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。

在比较了两种传感器优劣之后，考虑到CCD传感器图像处理的困难后，决定选用应用广泛的光电传感器，相信通过选用大前瞻的光电传感器，加之精简的程序控制和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以极好的控制效果的。

避障模块采用光电接近开关、超声波传感器配合使用检测地面突起、不可穿越的障碍。

优点是价格相对便宜，在满足系统的要求下具有较高的精度，能很好判断是否是地面突起或不可穿越的障碍。

1.3总体方案

系统采用ATMEL的8位微控制器ATmega128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。

在选定智能车系统采用光电传感器、超声波-光电接近开关避障方案后，路径信号经ATmega128MCU的I/O口输入处理后，用于赛车的运动控制决策，内部定时器T0模块发出PWM波，驱动直流电机对智能车进行加速、减速、转向控制，驱动伺服电机，使赛车能够自主行驶。

系统总体方框图如图1.2。

图1.2系统总体方框图

根据系统方案设计，系统包括以下模块：

ATmegal28主控模块、路径检测模块、电源模块、电机驱动模块、超声波避障模块、辅助调试模块等。

各模块的作用如下：

ATmegal28主控模块，作为整个智能车的“大脑”，将采集光电传感器、超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。

路径检测模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。

电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。

电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。

辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。

第二章硬件方案

根据总体方案设计，对机械结构的要求是：

简单而高效，在不断的尝试后确定了以下的设计方案:

图2.1智能车器件布局图

2.1智能车后轮减速齿轮机构调整

模型车后轮采用RS-380SH电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为18：

76（电机轴齿轮齿数为18，后轴传动齿数为76）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。

调整的原则是：

两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。

判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。

声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。

调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。

2.2其它机械结构的调整

另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。

此外，我们还对模型车的前后悬架弹簧的预紧力进行调节，选用不同弹性系统的弹簧等方法进行了改进，并且对车身高度，以及底盘的形状和质量、后轮的轮距等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。

2.3主控板设计

2.3.1电源管理模块

图2.2电源管理模块原理图

电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源。

采用7.2V2000mAhNi-cd供电，而单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V电源，伺服电机工作电压范围4V到6V（为提高伺服电机响应速度，采用7.2V供电），直流电机可以使用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池直接供电，智能车电压调节电路示例见图3。

5V电源模块用于为单片机系统、传感器模块等供电。

常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575等）两大类。

前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。

对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于LM2940的稳压的线性度非常好，所以选用LM2940-5单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而LM2596-5，转换效率高，带载能力大，缺点是其纹波电压大，不适合做单片机电源，不过对其它模块供电还是能保证充电的电源。

利用LM2940-5和LM2596-5对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作

2.3.2电机驱动模块

图2.3电机驱动模块原理图

电机驱动采用33886作为驱动芯片，MCU通过IN1引脚输入PWM波，以调节33886的DNC口的输出电压,调节电机转速的快慢，并且在IN2口输入电压以调节电机的反转和制动功能。

2.3.3主控板设计

图2.4MC9S12DG128主控板电路图

智能车系统以ATmega128为控制核心，单片机在控制系统所需要使用的管脚如下，主要包括了传感器控制与检测部分、电机驱动部分、ECT部分、调试接口以及其它常用电路的接口等。

2.3.4接口模块

图2.5接口模块原理图

接口模块的作用即外部设备单片机的接口，分别有电机接口，转向主舵机接口，伺服电机接口，电源接口。

2.3.5信号采集模块

从简洁的设计角度，我们直接从微控制器的电源线上串联上限流电阻，再和光电传感串联使用。

限流电阻既在光电传感器检测时起到了上拉电阻的作用。

与微控制器共地，简化了电路结构。

图2.6信号采集模块原理图

2.4智能车传感器模块设计

在确定总体方案时，我们选择光电传感器的方案。

为了获得更大前瞻距离，为控制系统后续处理赢得更多的时间。

2.4.1光电传感器的原理

光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。

由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。

选用了14个激光传感器，所有的传感器呈“一”字排布。

传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。

发射部份光强被接收部份接收通过与比较器电压比较，检测返回高低电平。

图2.7传感器发射与接收电路

2.4.2超声波传感器原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

图2.8波束角

传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。

因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。

此超声波最近可以测量5CM，最远可以测量3M。

2.4.3光电接近开关原理

光电接近开关在其测量范围内当有障碍物遮挡时输出低电平，无障碍物遮挡时输出高电平。

利用其特性安装在底盘上即可很好的检测到地面突起。

图2.9光电接近开关

第三章软件方案

系统中传感器就是整个系统的“眼睛”，其对于路径的识别在控制系统中尤为重要。

3.1光电传感器路径识别状态分析

由于光电传感器排布方式研究已经比较深入，传统的“一”字型排布方式在众多排布方式中效果显著，是最常用的一种排布方式。

模型车也充分利用了往年的成熟的传感器技术，其排布方式如图5.1。

图3.1模型车激光传感器一字排布图

对于我们模型车，传感器在赛道上可能的状态有：

在普通的赛道处、在十字交叉线处，分别如下图（并未列出所有的状态图），下面将分别进行分析。

图3.2激光传感器在普通赛道上

图3.3激光传感器在十字交叉线处

为了用于进行赛道记忆和速度控制，对于我们的光电传感器，每个传感器只有0与1两种状态，我们分别把14路传感器标记为1到14号传感器，每个传感器又可以对应一个是否在黑线上的标志位，分别为Sen_Flag[0]到Sen_Flag[13]，相应在黑线上为1，不在黑线上为0，从而通过对任一时刻传感器标志位的读取就可以知道此时模型车的状态。

为了精确地识别起跑线和十字交叉线，在程序设计时还定义了一个名为Sen_ChangeCount的变量，表示传感器状态变化（由1变为0和由0变为1）的次数。

从上面的传感器状态图中可以轻松看出，在普通赛道上出除了赛车移出赛道之外传感器变化次数都为2次，而在起跑线处模型车的传感器状态变化次数为4次，在十字交叉线时传感器状态变化次数为0次。

为了进一步把各种状态分开，在程序中还定义了变量Sen_FlagCount，用于统计所有传感器状态标志位之和，即在黑线上的传感器的数目。

结合以上几个变量，就可以准确地分清各个传感器状态了。

就可以轻松地把模型车任一时刻的传感器状态识别出来，也为赛道记忆识别起点等提供的必要的保障。

3.2路障识别状态分析

初始情况状态下舵机转角为初始状态零超声波测量前面的障碍物，当与障碍距离为20CM时启动避障策略的，或光电接近检测到障碍物是直接通行地面突起部分。

图3.4避障模块程序设计流程图

参考文献

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