超声波传感器在机器人中的应用研究毕业论文Word文档格式.docx
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1.3超声波传感器在机器人应用的研究背景与意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.4本文所研究的主要内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2系统方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2.1理论依据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2.2方案论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2.3设计思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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2.4应用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3系统硬件电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.1单片机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
3.2超声波传感器的选型与设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.3超声波传感器接口电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.4伺服电机模块．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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3.5其它扩展模块．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
4系统软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.1软件设计总体思路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
4.2软件设计流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.3设计的主要程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5测试结果及分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5.1测试环境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
5.2测试结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5.3测试结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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6结论与展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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6.1总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
6.2展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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附录A超声波传感器电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
附录B总体硬件电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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附录C开题报告．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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附录D程序清单见另册
附录E系统测试视频见附件光盘
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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内容摘要：
超声波传感器技术正在不断地发展，其生产技术在不断地进步，可靠性和准确性得到提高且价格越来越便宜，已广泛应用在各个领域中，本文就超声波传感器在机器人上的应用进行了研究。
本文首先对超声波传感器技术的应用和发展做了详细的研究，研究了在机器人上应用的可能性和现实性。
其次对超声波测距技术进行了研究，对超声波传感器在移动机器人上的应用进行了方案设计和论证，确定了机器人的避障控制策略。
分析了将超声波测距避障系统的应用前景，最后完成了比较复杂的超声波应用系统的硬件设计，并且设计编写了超声波应用系统的软件程序，实现了基于超声波测距的移动机器人的测距和避障系统。
并完成了机器人测距避障的测试，测试结果表明了设计理论的客观性和装置的可行性。
关键词：
超声波传感器；
智能移动机器人；
测距；
避障
Abstract:
Ultrasonicsensorstechnologyisconstantlydeveloping,anditsproductiontechnologycontinuestoprogress.Itsreliabilityandaccuracyhasbeenimproved,butthepriceisgettingcheaper,ithasbeenwidelyusedinmanyfields.Thispaperisresearchedonapplicationofultrasonicsensorsinrobots.
Firstly,adetailedresearchoftheapplicationanddevelopmentofultrasonicsensortechnologyhasbeendone,andstudiedonthepossibilityofroboticapplicationsandreality.Secondly,researchedonthetechnologyofultrasonicranging,demonstratestheultrasonicsensor’sapplicationsolutionsonmobilerobot,determinedtheintelligentrobotobstacleavoidancecontrolstrategy.Analysisoftheprospectsforultrasonicrangingobstacleavoidancesystem.Finally,completedarelativelycomplexhardwaredesignandsoftwaredesign,realizedtheultrasonicrangingandobstacleavoidancesystembasedonmobilerobot.Andcompletedthedistanceoftherobotobstacleavoidancetest,thetestresultsshowthefeasibilityofobjectivityanddevicedesigntheory.
KeyWords:
Ultrasonicsensors；
Intelligentmobilerobot；
Ranging；
Avoidobstacles
1导言
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波的振动频率要高于声波，是由换能晶片在电压激励下振动产生的一种机械波。
超声波具有高频、波短、绕射现象小、方向性好、能成为射线定向传播的特点[1]。
由于不受光线影响，对固体和液体的穿透能力很强，能穿透数十米的固体。
超声波在碰到杂质或者是处于分界面的时候能产生显著的反射形成回波，当碰到运动的物体时会产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
1.1超声波传感器的应用的现状
超声波传感器技术现在应用在生产实践的各个方面。
不同的超声波探头功率、探头结构应用的场合不同，超声波传感器组成形式也不同。
基本上所有超声探头有压电晶片组成，功率小的探头用于探测。
①超声波在医学上应用主要是用于对疾病的诊断，超声波检测在临床医学中已经成为了重要的检测手段之一。
对于我们最熟悉的应用就是B超了，通过B超可以获得清晰的人体内脏各器官的切面图形，胎儿性别的检测就是通过B超而实现的，对于多种器官的检查也是基于这个原理。
超声波诊断由于无痛无伤、简便便宜准确高效的特点，人体可以反复的使用超声波检测。
原理是在人体内超声波传播时，人体的各器官对于超声波的声学特性差异，会在不同的器官出现不同的反射、衰减或者是多普勒平移效果，能够用原理不同的超声波诊断仪，根据对病理部位的探测，结合医学原理能对疾病的性质和功能障碍程度进行诊断[2]。
②超声波传感器在工业领域的应用领域较多，超声波测厚、测液位、金属无损探伤都是典型的应用。
超声波传感器能够完成防水、防尘、高测量精度、使用温度范围大的测量要求，所以能实现其它传感器不能实现的功能。
特别是在需要使用腐蚀性化学品或需要在危险或脏乱差环境中作业的工业流程中，经常会出现故障，超声波传感器对于工业远程监控应用至关重要，超声波传感器能检测到物体的存在与否、监测对象的移动情况、液体的水平和材料的边缘，能够提高工业的流程效率，减少停机时间[21]。
超声波传感器的发展对于工业的智能化、自动化起着巨大的作用。
③超声波传感器在民用领域也有广泛的应用，现在开发出来的主要应用有使用超声波传感器的防盗报警器、自动门、接近开关等，其基本原理是基于超声波传感器的测距原理。
比如自动门，当自动门顶上的超声波传感器的测距参数发生变化时，即为有人过来，控制自动门的伺服电机，自动门开，当运动物体通过后，传感器恢复到原来状态，控制伺服电机将自动门关闭。
1.2超声波传感器应用的发展趋势
在未来的应用中，结合新材料技术和信息技术的发展，超声波传感器的智能化和灵敏度将会得到很大的提高。
目前超声波传感器行业发展势头很好，但是超声波传感器的发展仍然面临着很多的技术难题，高端的超声波传感器研发成本也很高，与其它离散传感器产品相比，超声波传感器仍然能够进行技术生产的进步，由于研发的超声波传感器产品的技术的可靠性和准确性的不断提高，很多原本采用光电和电容技术的应用都转向使用超声波传感器[22]。
超声波传感器未来的发展趋势是智能化和与其它传感器集成和数据融合，实现更多的应用和功能。
1.3超声波传感器在机器人应用的研究背景与意义
机器人技术作为科学技术的前沿研究应用，集成了最先进的计算机技术、制造技术、传感器技术等，能够获取、处理和识别多种信息，通过获取的这些信息进行分析处理，能够完成较为复杂的操作任务。
机器人的自主化、自动化将会使得人类的生产力得到极大的提高，使得生活更为便利。
智能移动机器人在搭载多种传感器之后能在辐射、毒气、高温等特殊危险的环境下工作，代替人类，智能机器人也能在很多服务行业帮人们完成简单、重复、劳动强度大的工作，还能服务于行动不便的人群。
移动机器人向着智能化的方向发展，其对物体的识别和运行的路径规划需要得到提高，设计能智能避障的移动机器人复杂、难度高，挑战了机器人的感知技术、通信技术、机械结构的设计。
为了使机器人在未知环境中锁定目标完成任务，避免机器人设备受到损坏，避障行为必不可少。
机器人的发展要求机器人的定位和避障能力能够适应更复杂的环境，完成更精确的任务，采用超声波传感器测距技术，有效地解决了移动机器人在复杂环境中的实时避障问题，提高了机器人避障的精度与使用寿命，能够降低自主移动机器人的生产成本，为自主移动机器人的研究与应用提供了一种有效的技术手段，将智能机器人的大规模应用的时间表提前了一大截。
1.4本文所研究的主要内容
论文首先分析调查了超声波传感器在不同领域的应用，提出了为适应未来机器人的发展需求可采用超声波传感器用于移动机器人的测距避障定位。
通过详细分析超声波的测距原理，以及根据智能移动机器人的需要，选定了超声波传感器的测距方式和相关特性要求。
根据选用的超声波测距方式，分析了超声波避障的基本原理，对超声波传感器应用在智能移动机器人上进行了详细的方案论证，并设计了避障控制策略和目标跟踪策略的应用方案和其它扩展应用。
对超声波传感器系统进行了硬件设计，简单介绍了单片机最小系统的设计，重点描述对超声波传感器的选型与设计，对提高超声波测距精度与效率的伺服电机进行了详细的设计，还对提高智能移动机器人性能的蓝牙模块和测速模块进行了设计。
使用分模块的程序编写方法，设计了软件编写的流程图，使用了基于C语言的Keil编程软件完成了超声波传感器系统程序的编写。
经过软件和硬件的调试后，对超声波测距系统进行了测距和避障测试，收集了大量的实验数据，并分析了实验中误差产生的原因和减小误差的办法。
2系统方案设计
2.1理论依据
2.1.1超声波及其性质
超声波是指超过人的听觉范围的声波，其频率大于20KHz。
超声波不同于光波，超声波是通过传播介质的分子运动而产生的机械波[3]。
超声波需要介质才能传播，所以不能再真空中传播，可以在气体、液体、固体或者组合体中传播。
在理想介质中，简谐声波向正方向传播的质点位移运动方程为公式
（1）：
St=Axcoswt+kx=A0e-∂xcos（wt+kx）
（1）
式中，St为位移量，A0是初始振幅的参考数值，w、t分别为角频率和声波传输时间。
x为声波传输播距离，∂为衰减系数，k=w/c称为波数。
由公式
（1）可知，声波的振幅Ax随位移x的变大而呈指数形式变小。
声波的减小系数与声波频率及传播介质的具有公式
（2）的关系式：
∂=Ae·
f2
（2）
式中Ae为介质常数，f为声波的振动频率，由公式
（2）显然可知，声波频率越高，衰减系数越大，声波的传输距离就越小，反之则相反。
然而声波的另一个重要特性是：
当声波的频率提高时，它的波束就会变窄。
并且，与同振幅的低频波相比较，高频的声波直线传播距离更远，反射能力更强，能量更高。
在实际的超声波测距应用中，需要考虑到超声波的传输距离不会太小，超声波的衰减不能够太快，而且要使超得声波的传播方向在需要的范围之内。
超声波与其它声波相比，超声波的传输的方向性更好，并且穿透能力更强。
超声波测距技术不需要跟被测距的物体接触，就能够方便的测量距离。
超声波在速度距离的测量、金属探伤、厨具清洁等很多行业具有特性功能。
超声波传感器是目前应用最为普及的传感器之一，在工业、民用、医用、及军事领域都有非常广泛的应用。
移动机器人实现自主定位、避障行走并且找到目标物等智能动作，测距系统是必不可少的。
超声波传感器最早开发出来就是用于测距的，机器人刚起步的时候，超声波传感器就开始了在机器人上的应用研究。
通过超声波测距可以获取障碍物或目标物的距离信息。
超声波测距的硬件成本很低，而且都已经模块化，使用很方便。
在很多项目工程中，超声波的测量距离和精度大多都能符合设计者的要求。
2.1.2超声波测距原理
超声波测距的方法多种多样，主要采用的方法有：
相位检测法、脉冲响应包络法、声波幅值检测法和声波幅值检测法等[4]。
（1）相位检测法
通过测量超声波的发射波和返回波的相位，根据发射波和返回波相位的相差数来测得距离。
相位测距法一般需要结合使用渡越时间法。
超声波的发射探头会发射一定数量的超声波脉冲，先计算第一个超声波脉冲回来的时间，在脉冲发射到回来时间里会有数个波m发出，再利用相位的测量确定余量和被测的距离。
∆d=φ2πλ （3）
D=m+φ2πλ （4）
公式（3）中，λ是波长，Δd是测距余量，φ是发射信号相位和接收信号相位的相位差，公式（4）中D是被测得的距离值，这种方法测量的精度比较高，但是应用这种方法需要用复杂的电路来实现，而且这种方法的检测范围也受到限制。
（2）声波幅值检测法
这种方法的原理是需要通过测算超声波的回波幅度的大小，从而测得距离，但是超声波回波的反射波会对影响测量结果。
（3）脉冲响应包络法
工业环境常常使用这种方法，各种噪声问题存在于工业环境中，如果使用测量相位或者是回波的方法对距离进行计算，不但计算难度大，而且测量的精度不高。
（4）渡越时间测量法
此方法原理较简单，当脉冲信号激励了超声发射器发射出超声波，计数器对发出去的超声波计时，然后接收器会接收到碰到障碍物后反射回来的超声波，这时计数器停止计时，算得超声波发射和接收有一个时间差，这个时间差就是超声波的传播时间。
再通过获得超声波的传播速度就能计算被测物体的距离。
这种方法计算公式为：
S=0.5ct （5）
公式（5）中：
S是超声波探头和障碍物之间的距离，c为超声波的速度（温度不同，速度不同），t为超声波发射到接收所用的时间。
渡越时间测量法又可以分为可变阈值法、包络峰值法和相位法。
在不同的实际需求下，采用的方法不尽相同。
各种方法的测量原理相同，只是在实际测距系统中，为了满足不同的测距条件而发明的不同的测距方式以适应各种环境、精度、速度等要求。
2.1.3超声波测距方式
超声波测距的方式主要分为两种，按超声波收发探头的位置来分具体可以分为直射式和反射式
如图1所示。
图1（a）为直射式，超声波发射器和接收器是对着的。
图1（b）是反射式，超声波发射器和接收器是并排的，超声波从发射器发射出去后，碰到障碍物反射回来到接收器上。
当测距范围比较远是时，可认为发射端与接收端在同一位置。
在实践应用中，测量大距离或移动物体的情况下，反射式是应用最为广泛的非接触式测距方式。
直射式一般用于工业环境中，在机器人系统中，一般采用反射式超声波传感器。
超声波发射器
超声波接收器
障
碍
物
.
a（直射式）b（反射式）
图1超声波测距方式
2.1.4基于超声波的目标障碍识别
超声波的波长和大多数物体的反射波相比是要大的，如果被测物表面平滑，那么从超声波传感器发出来的信号会镜面反射到障碍物表面的相反方向。
可以通过虚拟成像的办法判断超声波传感器碰到的是不是平面。
可以假设超声波传感器从F发射，S接收。
如果测得物体表面是平面，如图2所示，根据反射原理，从F到S的距离和F到Fˊ的距离是一样长的。
同样也可以认为为F发射的信号直接到达S的虚像Sˊ[5]。
所以三角形△FAS和△FˊASˊ具有公式（6）的关系：
DF'
S=DFA+DAS （6）
F
Fˊ
Sˊ
S
θ
A
图2超声波在平面物体上的反射特性
如果测量的障碍物时直角的，那么从F发出的信号会经过两次反射才到S，如图3所示，那么就可以得到公式（7）的结论：
DF'
S=DFA+DAB+DBS （7）
B
图3超声波在边角上的反射特性
2.2方案论证
根据对于超声波在空气中传播的特性、超声波的反射原理、超声波的测距方式的分析，选用智能移动机器人作为研究对象，对智能移动机器人实行测距避障的功能研究。
相比于功能强大、造价昂贵、开发难度很高的人形机器人，智能移动机器人技术门槛较低，资金投入也较少，但通过不断的开发和设计，使得能够借助移动机器人能够完成不少的开发设计，使得研究的成本大大降低。
本论文是通过对移动机器人进行方案的设计论证、进行软硬件的设计和试验测试，完成对超声波测距避障系统在机器人上的应用设计，为了对未来机器人更广泛普遍的应用超声波传感器打下基础。
2.2.1智能移动机器人的组成部分：
（1）控制器部分
机器人的大脑，它能接收各传感器收集后传递来的信号，并能够运行已经存储在内存中的决策系统（软件程序），做出应对外部信号变化的反应，将控制信号发给执行器进行动作。
（2）执行器部分
机器人的四肢，通过各种直流电机、伺服电机等驱动机器人做出各种动作，或者是发出各种信号如发出声音、冒出烟雾等。
（3）传感器部分
机器人的五官感觉器官，机器人通过外接各种光电传感器、声音传感器、热敏传感器等等将外接的模拟信号转换成机器人可以识别的电信号，完成机器人与外接环境的感知与应变[6]。
2.2.2智能移动机器人的构成
图4为智能移动机器人的构成框图，其核心为单片机处理单元，单片机处理单元连接驱动器控制四个直流电机转动，并
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