基于超声波技术的避障系统设计毕业作品.docx

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基于超声波技术的避障系统设计毕业作品

毕-设

业-计

（二零届）

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

AObstacleAvoidanceSystemDesignBasedonUltrasonicTechnology

Abstract

Inrecentyears,inscientificresearch,emergencyrescue,manufacturingandotherdifferentfields,intelligentdevicesusedmorewidely.Intheprocessofintelligentequipmentmovingwillencounterallsortsofobstaclesinevitably,whichrequiresthedevicetoavoidtheseobstaclesautomaticallyandtimely.Therefore,researchontheautomaticobstacleavoidancefornaturallyproduced.Allkindsofmethodscanbeusedtorealizeautomaticobstacleavoidance,theuseofthesensorsareultrasonicsensors,infraredsensors,lasersensoretc.Ultrasonicwavehasastrongdirectivity,energyconsumptionslowly,propagatingdistancefarther.So,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,Ultrasonicdistancemeasurementisthemostcommononeatpresent,itiswidelyusedinguardagainsttheft,movebackwardtheradar,buildingconstructionsiteandsomeotherindustry,andalsoontheresearchofmobilerobot.Obstacleavoidanceisakeyissuesforsuccessfulapplicationsofmobilerobotsystems.Allmobilerobotsfeaturesomekindofcollisionavoidance,rangingfromprimitivealgorithmsthatdetectanobstacleandstoptherobottoavoidcollision.

Thispaperintroducedtheprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail,theperformanceandcharacteristicofAT89S51,andbasedontheanalysisoftheprincipleofultrasonicdistancemeasurement,itpointoutthedesignideasandissuesneedtobeconsidered.Inthisobstacleavoidancesystem,bythemethodofcombiningsoftwareandhardwaretorealize，thatis，namelytoAT89S51asthecorewithlowcostandhighprecision,Miniaturefiguresshowofthehardwarecircuitandsoftwaredesignmethodtoimplement.Circuitdesignofthesystemisreasonable,goodperformance,measuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrolandcansendmorepreciseobstaclesalarm.

KeyWords:

Ultrasonicwave,One-chipcomputer,Rangefinding,obstacleavoidance

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（vectorFieldHistogmm，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：

whereamI?

WhereamIgoing?

HowshouldIgetthere?

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。

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。

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、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:

。

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

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请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。

因为利用单片机来进行计时较为准确，则测距的精度也就高，而且单片机易于控制，计算也方便，因此，许多超声波测距系统都采用这种设计方法。

本系统使用的是单片机AT89S51，单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；经障碍物反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。

同时，通过软件判断其是否达到报警值，如达到报警值则由蜂鸣器发出警报。

限制超声波系统测得最大距离的四个因素是：

超声波的幅度、反射和入射声波之间的夹角、反射物的质地以及接收换能器的灵敏度。

而最小可测距离则是取决于接收换能器对声波脉冲的直接接收能力。

图2-3超声波测距系统框图

3设计方案

按照系统设计的功能要求，初步确定该系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块和报警输出模块共五个模块组成。

单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机是一种低功耗、高性能且工作性能稳定的单片机，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。

发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送，接收电路使用三极管组成的放大电路，报警输出使用蜂鸣器实现，该电路结构简单，调试方便。

3.1AT89S51单片机介绍

AT89S51是美国ATMEL公司生产的8位单片机，采用CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。

AT89S51单片机的功能强、灵活性高，而且价格便便宜，因此，它被方便的应用于各种控制领域。

AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用40Pin封装的双列直接PDIP封装。

芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口左边那列引脚逆时针数起，其中芯片的1脚顶上有个凹点。

1、主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

2、外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

3、控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

4、可编程输入/输出引脚（32根）

　AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能。

　PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

　P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

　P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

　P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

3.1.1AT89S51的主要性能参数

图3-1AT89S51芯片

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：

0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·全双