智能避障机器人设计文献综述.doc

智能避障机器人设计文献综述.doc

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文献综述

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智能避障机器人设计文献综述

1前言

我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物”。

其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。

智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。

除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。

这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。

机器人技术自上个世纪中叶问世以来，经历四十多年发展已取得长足进步，成为提高产业竞争力方面极为重要的战略高技术。

目前，机器人关键技术日臻成熟，应用范围迅速扩展，作为计算机、自动控制、传感器、先进制造等领域技术集成的典型代表，面临巨大产业发展机会。

国内外业界专家预测，智能机器人将是21世纪高技术产业新的增长方向。

2003至2006年间，全球智能服务机器人以每年40%左右的速度迅速增长。

当代机器人专家现已达成了共识：

作为计算机技术及现代IT综合技术的一个必然延伸，机器人技术完全可能遵循“摩尔定律”，以前所未有的速度实现突破。

智能机器人将成为继家电、个人电脑之后、第三个以超常规速度走向我们日常生活的产品。

如今知识工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统，人们要求系统变得越来越智能化。

显然传统的控制观念是无法满足人们的需求，而智能控制与这些传统的控制有机的结合起来取长补短，提高整体的优势更好的满足人们的需求。

随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。

计算机控制与电子技术的融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。

因此，智能技术的研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的[1]。

智能机器人，也称轮式智能小车，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计，一般主要由单片机模块、驱动模块、红外传感器模块和电源模块等模块组成。

一般而言,智能车系统要求在运行的过程中，小车能够实行有效的避开障碍物。

其原理是，通过红外发射管发射信号，红外二极管进行接收，并将信号送于单片机，单片机通过合理的处理，来驱动伺服电机的旋转快慢，从而达到避障的目的[2]。

2智能机器人的发展历史、现状及发展趋势

在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮已席卷全球，世界上一些著名的公司开始研制移动机器人（此时的移动机器人主要用作大学实验室及研究机构的实验平台），并促进了移动机器人学等多种研究方向的出现。

90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人的更高层次的研究。

现在机器人的应用越来越广，种类也越来越多，但大体上可分为轮式机器人和足式机器人。

智能小车就是轮式机器人中的一种，虽然是最基本的机器人雏形，但其中已包含了大部分功能，综合国内外专家解释，可普遍认为机器人一般是具有如下功能的机器：

（1）动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功

能；

（2）有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；

（3）有一定程度的智能，如记忆、感知、推测、决策和学习等；

（4）有独立性，完整的机器人系统在工作时不依赖于人的操纵。

随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。

机器人领域近几年有如下几个发展趋势：

（1）性价比逐步提高，性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单价不断下降。

（2）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。

同时，器件集成度提高。

从而，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性。

（3）传感器的作用日益重要，除传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。

（4）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。

（5）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的操作系统，使智能机器人走出实验室走入实用化阶段[3]。

3智能机器人发展的有利条件

目前，与智能机器人有关的技术领域进展非常迅速，这为智能机器人的快速发展提供了有力的技术支持。

3.1传感器

（1）精确的位置传感器机器人的传感器从最初的超声测距到激光测距；从低分辨率摄像头到高清晰摄像机，机器人的传感器越来越精确，这为机器人精确获得自身位置提供了良好的基础。

（2）触觉传感器人能够在自然界活动自如，很大一部分原因是人拥有灵敏的触觉。

机器人的触觉传感器担当了类似的任务，拥有了灵敏触觉传感器的机器人，动作不会像机械一样僵硬。

（3）语音识别人的语言是在长期交流过程中形成的，这方便了人与人之间交流。

语音识别技术的发展为机器人提供了听懂人的语言，与人交流的平台。

（4）图像识别人对外界信息的感知80%来自于视觉，图像处理和计算机视觉的发展为机器人能够理解图像，快速处理图像信息提供了强有力的保障。

3.2机器人硬件

（1）模块化

（2）MEMS技术应用

（3）物理“softness”

（4）功能“softness”

3.3机器人软件

（1）实时获取和集成多源（视觉、听觉、触觉、距离传感、RFID、运动）

（2）快速理解复杂环境

（3）基于多传感器的快速反应软件

（4）可识别用户意图及喜好

（5）跨平台运行

（6）软件模块化

4系统方案的选择

（1）主控单元的比较与选择

方案一：

采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，自动寻迹信号，无线遥控信号，语音控制信号进行处理。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。

方案二：

采用51单片机来作为整机的控制单元。

红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过比较芯片调制处理后由控制系统接收。

路线寻找采用红外线管对路面信号采集，送到单片机系统处理，同样包括无线遥控信号和语音控制信号。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，更能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现[4]。

（2）避障单元的比较与选择

方案一：

采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。

方案二：

采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出比较电平。

外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜，故采用方案二。

红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此通过调制信号产生38KHz的载波来减少外界的一些干扰。

只要障碍物在限定范围内就会产生相对的电平供单片机控制，实现避障功能[5][6]。

5红外线测距的原理

对某一特定物体距离的测量是光学仪器领域的热门课题之一。

在机器人视觉方面,快速精确的测距系统使机器人迅速准确地判断目标与机器人的距离,以便使机器人迅速做出相应的判断和动作。

各种测距方法很多,目前应用较多的主要有PSD测距法、超声时间法、带运动机构的双象比较法和反射能量法。

PSD测距法利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件（PositionSensitiveDevice）的PSD元件来获得二路输出信号,根据这二路信号来获得物体的距离量值。

超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测距离。

带运动机构的双象比较法则比较复杂,系统中有二套光路对被测物体像，其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像,当二者一致时,就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。

反射能量法中仪器发射一束光（通常是近红外光）照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量,根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。

我们在红外测距系统就是采用反射能量法[7]。

红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。

根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱［8］。

因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。

红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。

自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。

参考文献

[1]宗光华.《机器人的创意设计与实践》[M].北京航空航天大学出版社2004.

[2]赵海兰.基于单片机的红外遥控智能小车的设计[J],无线互联科技-2011年3期.

[3]何立民.单片机技术的现状与未来[J],中国计算机报,1995年No：

30.

[4]周淑娟.基于单片机智能寻迹小车的设计方案[J],工业技术与职业教育-2011年6月第9卷第2期.

[5]韩毅,杨天.基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现[J].学术期刊,2008，29（18）：

1535-1955.

[6]于连国,李伟,王妍玮.基于单片机的智能小车设计[J],林业机械与木工设备-2011年4期.

[7]刘迎春,叶湘滨.《传感器原理设计与应用》[M].国防科技大学出版社,2004.

[8]宋泽清.关于灵活避障、快速循迹.《无线电》,2009

（2）.

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