超声波避障技术设计说明.docx
《超声波避障技术设计说明.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波避障技术设计说明.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
超声波避障技术设计说明
南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
薛玉洁
号：
6
教学点:
工业职业技术学院
专业:
电子工程
题目:
超声波在小车避障技术的应用设计
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2013年5月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
智能小车是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，它具有制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。
由于具有很强的趣味性，智能小车深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。
本论文介绍的是具有自动避障功能的智能小车的设计与制作（以下简称智能小车），论文对智能小车的方案选择，设计思路，以及软硬件的功能和工作原理进行了详细的分析和论述。
经实践验收测试，该智能小车的电路结构简单，调试方便，系统反映快速、灵活，设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。
关键字：
智能小车避障设计方案
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleUltrasoniccarobstacleavoidancetechnologydesign
Abstract
Smartcarscanbeprogrammedtoperformaspecifictaskmeanstheminiaturizationofrobot,ithastomakecostislow,circuitsimplestructure,convenientprogramtest.Becauseofithasstronginterest,intelligentrobotcarfavoredbythemajorityoftheuniversitystudents'enthusiastsandlove.
Thispaperintroducestheisaautomaticobstacleavoidancefunctionofintelligentcardesignandproduction（hereinafterreferredtoasthesmartcar）,thethesistotheintelligenceofthecarschemeselection,designidea,andtheimplementationofhardwareandsoftwarefunctionandworkingprincipleofadetailedanalysisanddiscusses.Afterpracticeacceptancetest,thisintelligentcarcircuitstructureissimple,convenientdebug,fast,flexiblesystemreflect,correctandfeasibledesignscheme,eachindexissteadyandreliable.
Keywords:
intelligentobstacleavoidancecardesign
目次
1引言1
1.1研究背景与意义1
2超声波的避障技术4
2.1小车的避障技术4
2.2超声波的传播特性5
2.3超声波测距技术5
2.4基于单片机的超声波测距系统6
2.5超声波的衰减6
3超声波避障系统硬件设计8
3.1方案概述8
3.2方案设计8
3.3元器件介绍9
3.4超声波发射系统电路16
3.5超声波接收系统电路16
3.6相关软件、电路模块和器件清单。
17
4超声波避障系统的软件设计19
4.1直流电机控制软件设计19
4.2超声波测距模块软件设计19
4.3超声波避障技术软件设计21
4.4软件与硬件的整合软件与硬件的整合22
5超声波避障系统调试23
5.1调试过程23
5.2问题分析26
5.3误差分析26
致29
参考文献30
1引言
1.1研究背景与意义
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,不易受电磁、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用。
本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。
同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。
智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。
如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。
超声波测距与避障系统包括硬件及软件两个部分。
硬件开发基STC89S52微控制器，集成了传感器电路、信号处理电路、微控制器外围电路及电源电路等；软件设计主要包括测距算法设计和避障算法设计。
其中，避障算法由单传感器避障策略、多传感器精确避障策略以及多传感器模糊避障策略组成。
超声波测距与避障系统的试验包括四个部分：
测距系统性能试验、位姿检测试验、安全避障试验以及声纳环布局试验。
试验结果表明，系统的测距围为40cm-500cm，测距精度可实现测距围的2％以。
单路测距系统的角度扫描围为22。
可以完成正常的测距功能；障碍物材质及表面形状试验的结论，可为其他超声波障碍物检测和移动车辆安全避障策略设计提供参考；自主研发的超声波测距与避障系统，通过进一步的产品设计研究，可应用于农用车辆安全避障系统中。
智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。
与普遍意义上的机器人相比，智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。
全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。
1.2国外研究状况
机器人作为人类科技发展的新型劳动生产工具，在减轻劳动负荷、优化产业模式、提高生产率，避免作业工人从事危险、恶劣、繁重的工作等方面，显示出极大的优越性。
不过，就机器人而言，目前还没有统一的定义，而且自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个确切的定义。
欧美国家认为，机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何髙级的自动机械”。
我果科学家对机器人的定义是：
“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义；“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
智能移动机器人具有高度的自规划、自组织、自适应能力，在无需人干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下，能够有目的地移动和完成相应任务。
障碍物检测是智能移动机器人、智能汽车对周边环境感知技术研究领域中的重要方面。
随着技术的发展以及利益的趋向，美国、日本、德国以及意大利等世界发达国家的很多研究机构，陆续在该研究方向作了一定程度的探索和研究，并取得了很多有价值的研究成果。
在我国，由于理论技术、基础设施建设和资金分配等因素限制，在智能机器人技术领域与世界发达国家存在相当大差距，只有为数不多研究机构在该领域做出了一些的成果。
本文按使用传感器的类型不同分为：
基于超声波的障碍物检测系统、基于红外线的障碍物检测系统、基于激光的障碍物检测系统及基于多传感器融合技术的障碍物检测系统等。
20世纪60年代以来，弧焊点焊气焊、机械设备加工、喷涂刻画、设计装配、检测等各种类型，各种用途的机器人相继出现，并迅速在工业生产中实现流水线批量生产，这大大提高了各种产品的标准型和质量。
然而，随着机器人的不断完善发展，人们发现，这些同定于某一岗位工作的机器人并不能完全满足各方面的需要，不能处理复杂的应激变化。
因此，20世纪80年代后期，许多国家有组织有计划的开展了移动机器人技术的硏究。
所谓的移动机器人，就是一种具有高度自组织、自适应、自规划能力，适合于在复杂的非结构化，具有高精确度或繁重、危险工作环境中作业的机器人。
自主式移动机器人的设计目标是在没有人的参与控制且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的的移动并完成相应设定任务。
在自主移动式智能机器人的相关技术研究中，导航技术的应用是其研究的核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主调节、控制的关键技术。
导航研究的网标就是：
在没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。
机器人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。
因此单从系统硬件层次上讲，移动机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活和精确的驱动系统。
1.3本课题研究容
本设计题目为智能避障小车设计，主要研究小车的避障功能，小车遇到障碍物时，当距离障碍物大于40cm，PWM信号自增，驱动电机加速，小车加速前进，当小于30cm时，PWM信号自减，驱动电机减速，小车减速前进，并且小车采取相应的避障措施。
这里探测装置必不可少，因为超声波在距离检测方面的较准确定位。
所以采用超声波传感器作为探测装置，由于超声波遇到障碍物时发生像光一样的反射和散射，在经过多次发射之后再回到超声波检测端口会产生较严重的路程差，从而影响对距离的检测进而影响对障碍物的较准确定位。
通过软件部校准优化消除外部物理条件造成的误差从而达到对障碍物的较准确定位。
2超声波的避障技术
2.1小车的避障技术
2.1.1超声波介绍
超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
2.1.2超声波避障技术
就是利用超声波来检测机器人的前方是否有障碍物，机器人的前方你要放一个超声波发生器、一个超声波接收器，当超声波发生器发出去的声波遇到障碍物时，这些声波就会被反射回来，这时就利用超声波接收器接受被反射回来的声波，然后再在机器人身上面按装一个声波转化器，就是把反射回来的声波转化成其他的信号。
2.1.3模糊避障算法设计
机器人运动的环境非常复杂，而且一般情况下是未知的，因此很难建立精确的数学模型来预测障碍物的位置。
采用模糊控制算法非常适合移动机器人的避障，模糊控制器的输入是超声传感器的距离信号，输出是机器人的动作，规定机器人只能有前进或旋转两种运动方式。
根据一定控制策略，建立输入输出的模糊语言集合和模糊控制规则。
输入输出的模糊语言：
模糊控制器的输入参数是机器人六个超声传感器检测到的距离信号。
把六个超声传感器的输入信号分为左右两组，每组三个，即机器人左边三个超声传感器为左组，机器人右边三个超声传感器为右组。
每次读入左组三个超声传感器测得的距离信号，选取其中最小的一个数值作为左边的输入，左边的数值用Left表示。
同样，每次读入右组三个超声传感器测得的距离信号，选取其中最小的一个数值作为右边的输入，右边的数值用Right表示。
距离信号的模糊语言集合如下：
{近，中，远}设定其相应的语言变量，并记作：
ND（neardistance）=近
MD（middledistance）=中
LD（longdistance）=远
2.2超声波的传播特性
超声波的传播特性有以下几点：
a）超声波的束射性：
由于超声波频率很高，所以方向性就相对要强，方向性即柬射性。
当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性，也就是方向性好。
b）能量大：
声强与振幅，质点震动频率的关系I=1/2ρCA^2ω^2，相同振幅条件下，能量与频率的平方正比。
由于频率很高，所以具有很大的能量。
c）透射、反射和折射：
在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象，普通声波也有此性质。
d）超声波在人体组织中的衰减：
超声波在人体组织中传播时，其强度捋随传播距离的增加而逐渐衰减。
这是人体组织对超声波的吸收、反射和散射等原因造成的，而其中吸收是最主要的。
超声波在人体组织中几乎有80%被胶原蛋白所吸收。
实验证明：
在频率为1MHz—15MHz围,超声波在人体软组织中的吸收系数与超声频率成正比,如血液的吸收系数随着超声频率的增高而增大。
骨质的吸收因数最大,衰减也最大,超声很难通过骨骼进行传播。
2.3超声波测距技术
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法。
相位检测法虽然精度高，但检测围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响。
本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：
超声波发生器T1在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器T2所接收到。
这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
距离计算公式为：
s=c·t/2。
其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。
2.3.1超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的时间误差：
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。
测距误差s△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。
使用的12MHz晶体作时钟基准的89C52单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C52定时器能保证时间误差在1mm的测量围。
2.4基于单片机的超声波测距系统
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。
超声波经反射物反射回来后，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。
其系统框图如图2.1所示。
图2.1基于单片机的超声波测距系统框图
这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波的反射波时，在接收电路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LCD显示。
利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。
许多超声波测距系统都采用这种设计方法。
2.5超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐减小的现象叫做超声波的衰减。
超声波衰减的原因主要有三个：
a）扩散衰减：
超声波在传播中，由于声束的扩散，使能量逐渐分散，从而使单位面积超声波的能量随着传播距离的增加而减小，导致声压和声强的减小。
b）散射衰减：
当声波在传播过程中，遇到不同声阻抗的介质组成的界面时，将发生散乱反射（即散射），从而损耗声波能量，这种衰减叫散射衰减。
散射主要在粗大晶粒（与波长相比）的界面上产生。
由于晶粒排列不规则，声波在斜倾的界面上发生反射、折射及波型转换（统称散射），导致声波能量的损耗。
c）粘滞衰减：
声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的壁摩擦，从而使一部分声能变为热能。
同时，由于介质的热传导，介质的疏、密部分之间进行的热交换，也导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。
由介质吸收引起的衰减叫做粘滞衰减。
3超声波避障系统硬件设计
3.1方案概述
本小车使用STC89C52单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距与障碍物的距离小于30cm时，小车转弯以避开障碍物，并且此时蜂鸣器报警在避开障碍物后，小车会沿直线前进。
系统方框图如3.1所示。
图3.1超声波避障系统硬件设计方框图
3.2方案设计
超声波测距部分是机器人避障的核心部分。
本设计采用STC89C52单片机，晶振：
12MHZ，单片机用P2.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号，显示电路采用简单的4位共阳LED数码管，断码用74LS244，位码用8550驱动。
单片机通过P2.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
本设计包括超声波接收电路、超声波发送电路、距离显示电路组成。
原理方框图如图3.2所示。
图3.2超声波测距器系统框图
单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，部包含有计算机的功能部件CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
原理图如3.3所示。
图3.3原理图
3.3元器件介绍
3.3.1STC89C52主控芯片
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL密度非易失存储器技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
主要特性如下：
a）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
b）工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。
c）工作频率围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
d）用户应用程序空间为8K字节。
e）片上集成512字节RAM。
f）通用I/O口（32个）复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
g）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程无需专用编程器），无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
h）具有EEPROM功能。
i）具有看门狗功能。
j）共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2。
k）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
l）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
m）工作温度围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。
n）PDIP封装。
STC89C52RC单片机的工作模式
掉电模式：
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
空闲模式：
典型功耗2mA典型功耗。
正常工作模式：
典型功耗4Ma～7mA典型功耗。
掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。
STC89C52具体介绍如下：
a）主电源引脚（2根）。
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
b）外接晶振引脚（2根）。
XTAL1（Pin19）：
片振荡电路的输入端
XTAL2（Pin20）：
片振荡电路的输出端
c）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，如果接高电平则从部程序存储器读指令。
d）可编程输入/输出引脚（32根）。
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
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
3.3.2超声波测距模块
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
由于超声波也是一种声波其声速C与温度有关。
在使用时，如果温度变化不大，可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
这就是超声波测距仪的机理。
超声波测距模块原理图如图3.4所示。
图3.4超声波测距模块电路原理图
测距模块参数介绍如表3.1所示。
表3.1模块参数介绍表
电气参数US-100超声波测距模块
工作电压DC2.4V5.5V
静态电流2MA
工作温度-20~~+70度
输出方式电平或UART（跳线帽选择）
探测距离2cm~~450cm
超声波测距模块与单片机的接口原理如图3.5所示。
（当为电平触发方式时）
图3.5单片机接口原理
3.3.3驱动模块
采用由双极性管组成的H桥电路（L298N）。
用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，则效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很高。
而且
升级会员 