基于PSD的移动机器人避障研究文档格式.docx
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A-StarAlgorithm
摘要1
Abstract1
第一章绪论1
1.1研究背景和意义2
1.2国内外研究现状2
1.3本文主要工作2
第二章PSD介绍4
2.1PSD的结构及工作原理2
2.2PSD的种类及特点2
2.3PSD的选取2
第三章移动机器人的避障系统4
3.1移动机器人2
3.2机器人的避障策略2
3.3环境信息分类及其避障行为2
3.4直流电机的驱动2
3.5运动控制模块2
3.5.1电机电压极性和大小的控制3
3.5.2运动控制模块的电路原理3
3.5.3运动控制模块的程序流程图3
3.6避障过程中外部信息的采集和处理2
第四章移动机器人的避障控制算法4
4.1最短路径的算法2
4.2A*算法2
4.2.1A*算法概述6
4.2.2二维平面仿真及结果6
4.3移动机器人避障功能实现方法2
结语4
参考文献4
致谢4
第一章绪论
1.1研究背景和意义
关于机器人的研究已经具有多年的历史，移动机器人是机器人研究领域的一个重要分支，也是21世纪科学研究的热点之一。
移动机器人是结合了机械、计算机、自动化等多种学科和高新技术的集中体现。
它在生产、国防、服务等方面的运用不断扩大，人们也对他们的自动自能化和环境感知能力的要求越来越高，实现自主的导航和成功避开障碍物是现在机器人面临的一个重要难题。
对移动机器人的基本要求就是能自主的回避障碍物，到达指定地点完成分配的工作。
在现实生活中，障碍物不是固定的，它可能形状复杂、变化多端，这样就更需要移动机器人安全、快速地识别障碍物，测出与障碍物之间的距离，从而成功的避开。
避障规划是移动机器人学中的重要部分，也越来越受专家和学者的青睐。
机器人使用传感系统收集外部信息，对信息做出判断和处理，得到障碍物方位和大小的数据，然后机器人做出指示，按照指示行走避开障碍。
我们要按照机器人的大小、形状和运动标准对初值进行设定，如果是在未知环境的情况下，要做出避障规划。
移动机器人的成功避障的前提是必须要传感器对外部信息进行采集，利用PSD红外传感器为探测元件，PSD红外传感器不仅可以探测到障碍物的位置，还可以测出移动机器人和障碍物之间的距离。
当PSD检测到前方的障碍时，经过机器人的分析，如果机器人和障碍物间的距离小于设定的安全距离时，就会发出转弯指令，移动机器人按照指令行动，从而避免了与障碍相撞。
另外，PSD红外传感器有很多优点：
位置分辨率高；
响应速度快；
外围电路简单，成本低；
不受入射光和焦点偏离的影响。
虽然目前PSD传感器在机器人上的应用较少，但是通过对PSD更加深入的研究，会有更多的机器人合理选用PSD，以实现高效、低成本的运作。
所以，不管在未知还是已知障碍物的情况下，基于PSD的移动机器人避障研究会更有意义。
1.2国内外研究现状
到目前为止，PSD在机器人上的运用比较少，本文就把机器人避障和PSD分开，做各自的介绍。
1.移动机器人避障的发展概况
机器人研究方面国内的研究起步比较晚，但是到目前为止，已经处于快速发展阶段，有越来越多的专家学者对机器人的研究感兴趣。
移动机器人在工业生产、人们的生活等领域得到了广泛应用。
2003年，我国中科院研制出集多种传感器、语音识别、会话与视觉功能于一体的移动机器人，这是一个很大的跨越。
移动机器人的发展极大地提高了生产的速度，节省了劳动力。
国际机器人展览会于2004年在中国的成功举办，对于我国机器人行业的发展起了很大的促进作用。
机器人技术是高科技领域中最具有代表性的，它的发展可以看出一个国家的经济发展水平，同时机器人技术的提高也对学术研究、产品生产升级、国家安全和未来经济的发展有重要意义。
上世纪60年代末，国外的移动机器人的研究就开始了。
经过大约半个世纪的研究，其成果主要有：
1969年-1972年斯坦福研究院研制出Shakey的自主移动机器人；
上世纪70年代末，计算机和传感技术运用到移动机器人技术上；
上世纪80年代，DARPA（美国国防高级研究计划局）专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划；
上世纪90年代，更高技术的传感器和信息处理技术运用到机器人上；
迄今，以经有机器人登上火星，说明机器人技术再进一步提高。
现在，机器人的研究主要涉及到的技术有:
传感技术、信息融合技术、机器人的路径规划技术的研究、移动机器人本体的设计和实现。
2.PSD红外传感器发展概况
PSD的发展到现在为止已经有将近100年的历史。
1930年首次发现了横向光电效应，也就是PSD的工作原理；
上世纪60年代，推导出了Lucovskey方程，描述横向光电效应，奠定了PSD的理论基础；
上世纪70年代，发展表面分割型和两面分割型器件；
上世纪80年代，改进了表面分割型器件；
迄今PSD已经运用到多种探测上面，很受青睐。
PSD根据横向光电效应原理工作，属于半导体敏感器件一般把光斑的强度和位置量转化成模拟信号输出。
PSD有很多优点，比如：
近年来PSD一直受到重视，以后会更多地运用到测距领域，当然也会开发更多新的应用。
将红外PSD传感器与移动机器人结合，也充分体现了其高灵敏等特性，可以使智能机器人向更方便、更智能的方向发展。
1.3本文主要工作
本课题研究的主要内容是以PSD为传感元件的前提下的移动机器人遇到前方障碍后，通过对信息的采集和分析，作出判断，并执行预定指令，使机器人成功避开障碍物。
系统通过PSD传感器检测到障碍物，并计算出机器人到障碍物间的距离，通过对信号的分析，机器人控制两个直流电机的转速，从而控制了差动机器人左右两个轮子的速度，实现转弯的效果。
这样机器人就实现了障碍物检测、定位、测距、转弯等功能，要对环境的探测，需要对PSD的原理也进行了探讨。
为了让移动及其然快速、成功地避障，也对避障控制算法进行了研究。
本文主要包括一下几方面内容的研究：
1.PSD介绍
包括PSD的结构及工作原理，PSD的种类及特点
2.移动机器人的避障系统
包括移动机器人本体的介绍，机器人的避障策略，环境信息分类及其避障行为，直流电机的驱动，避障过程中外部信息的采集和处理。
3．移动机器人的避障控制算法
通过A*算法，找到机器人避开障碍物的最佳路径。
第二章PSD介绍
2.1PSD的结构及工作原理
PSD（PositionSensitiveDetector）是一种光电位敏探测器，它的发展已经有了将近100年的历史，如图2.1所示，PSD的发展历史图：
图2.1PSD的发展历史
PSD根据横向光电效应原理工作，属于半导体敏感器件。
一般把光斑的强度和位置量转化成模拟信号输出，PSD一般做成P-I-N结构，最上一层是P层，下层是N层，中间是一较厚的高阻I层。
当光斑照射到PSD表面的某个位置时，该位置会吸收入射光子的能量，产生于与光能量成比例的的电子-空穴对。
此时，光斑照射部分的载流子浓度比其他部分的浓度大，形成一个平行于结面的横向电场，就出现了载流子扩散的情况，从而形成光电流。
结区产生的空穴载流子流向P层，光电子向N层漂移。
当电子-空穴对流过P层分成两个部分，并且分别从P层上相对的两个电极输出光电流
。
通过对电流的分析处理，可以得出光斑照射到PSD上的具体位置和强度。
图2.2显示了其结构原理图：
图2.2PSD结构原理图
此时，光斑照射部分的载流子浓度比其他部分的浓度大，形成一个平行于结面的横向电场，光电子移动，就出现了载流子扩散的情况，从而形成光电流。
当电子-空穴对流过P层时分成两个部分，并且分别从P层上相对的两个电极输出光电流
通过对电流
的分析处理，可以得出光斑照射到PSD上的具体位置和强度。
利用较厚的高阻层，是由于此结构的I层耗尽区较大，结电容小，几乎全部的光生载流子都在耗尽区中产生，光电流不会产生扩散分量,因此PSD的响应速度比普通PN结光电二极管要快得多。
同时，PSD也具有灵敏度高、分辨率高、电路配置简单、成本低等优点，但是电极的相互干扰导致了其线性度较差。
随着大家对PSD的研究进一步加强，PSD也越来越受重视，其抗干扰能力也在一步步提高。
2.2PSD的种类及特点
PSD的外部特征如图2.3所示：
图2.3红外PSD传感器的外部特征
PSD可以分为一维（线型）PSD和二维（面型）PSD。
一维（线型）PSD可以测定光点的在一条线上的位置坐标，二维（面型）PSD可以测定光点在二维平面上的位置坐标。
一维（线型）PSD具有较高的位置分辨率，可以连续探测出一个亮点在光敏面的连续移动，通过入射光的位置不同，使得其引起的光电流不同，经过设备的传输和测量，输出电流的大小分布，计算出光点的位置。
一维PSD的原理图和等效电路图分别如图2.4和图2.5所示：
图2.4一维PSD原理图图2.5一维PSD的电路等效图
经过光斑的照射，A、B电极会输出不同电流，通过两个不同的电流可以计算出光斑的位置，计算公式（2-1）如下：
（2-1）
二维（面型）PSD按照结构分类可以分为三种类型：
四边形结构PSD、二面型结构PSD和枕形结构PSD。
四边形结构PSD又称为表面分流型PSD，它光敏面上两对相互垂直的电极，分别称作X电极和Y电极。
四边形结构PSD的如图2.6所示：
图2.6四边形结构PSD
其光敏面是以L为边长的正方形，四周有
四个电极，分别输出电流
，偏执电压加在背面的公共电极⑤上。
那么，影响X电极的电流是
，影响Y电极的电流是
，若以光敏面的中心为参考点，入射光斑的重心位置的计算公式（2-2）：
（2-2）
四边形结构的PSD的X、Y电极在同一面上，故其制作工艺简单，成本低，暗电流小，反偏工作电压容易提供，但是两个电极会相互影响，输出位置的非线性误差较大。
二面型结构PSD也是两面分流型PSD，它有两对相互垂直的电极，分别分布在PSD的上下两面，光敏面上的是X电极，背面上为Y电极。
二面型形结构PSD的如图2.7所示：
图2.7二面型结构PSD
由于二面型结构PSD的上下两面都要分配电流，所以该结构没有公共电极，没有办法加偏执电压。
它若以光敏面的中心为参考点，和四边形结构的PSD计算光斑位置的公式（2-2）一样。
二面型结构的PSD的X、Y电极在上下两个面上，避免了两个电极间的相互干扰，输出光斑位置的非线性误差较小，但是其制作工艺较为复杂，成本高，暗电流大，反偏工作电压提供困难。
枕形结构PSD是对四边形结构进行改进后形成的，和四边形结构PSD的结构相似，X电极和Y电极分布在光敏面上，但是与它不同的是枕形结构PSD的光敏面形状为枕形，光敏面四周加上圆弧电阻，采用弧形电极，信号从对角线上引出。
枕形结构PSD如图2.8所示
图2.8枕形结构PSD
有图可看出，枕形结构PSD和四边形结构PSD的结构相似，对角线上的
，偏执电压加在背面的公共电极上。
若以光敏面的中心为参考点，入射光斑的重心位置的计算公式如公式（2-3）所示：
（2-3）
枕形结构PSD是刚发展起来的一种新型传感器，其X、Y电极在同一个表面,制作方便、响应速度快、分辨率高、加偏执电压比较容易；
光敏面设计成枕形，输出光斑位置的线性度好，暗电流小。
总之，它结合四边形结构PSD和二面型结构PSD做了改善，保留两者优点，综合性能大大提高。
总体来说，PSD的特点：
（1）位置分辨率高；
（2）响应速度快；
（3）外围电路简单，成本低；
（4）不受入射光和焦点偏离的影响。
2.3PSD的选取
经过上面对PSD种类及特点的叙述，我们对PSD有了比较清晰的理解，在PSD的选取方面，我们要考移动虑机器人所能测量障碍物的大小、形状。
我们设机器人所处的环境是已知的，障碍物是静止的，这样就降低了对机器人传感系统的要求，因此，只要选用一个二维PSD，来确定障碍物的位置和测量障碍物距离移动机器人的位置，考虑到测量的准确性，我们选用二维枕形结构的PSD。
第三章移动机器人的避障系统
3.1移动机器人
移动机器人系统主要集中了信息处理、传感器技术、计算机工程、电子工程，人工智能以及自动化控制工程等多种学科的研究成果，它主要包括传感系统、驱动系统、控制系统等部分。
机器人系统的基本组成如图3.1所示：
图3.1机器人系统的基本组成
传感系统主要是运用一种或多种传感器，把外界环境与机器人连接起来，是机器人获得信息、辨别环境的窗口。
传感器在移动机器人上的运用主要包括内部传感器和外部传感器。
在本文中，内部传感器是用来测移动机器人的速度，而检测障碍和测量与障碍物间的距离用外部传感器。
驱动系统是移动机器人的运动装置，主要控制移动机器人的移动，包括驱动电机、车体和控制器。
控制系统是移动机器人的中枢神经，相当于机器人的“大脑”。
是以计算机控制技术为核心的实时控制系统，主要负责视觉信息处理、机器人定位和调速。
根据机器人的作业指令程序和对传感器反馈过来的信息支配移动机器人的运动。
它决定了移动机器人的所达到的功能，其优劣和移动机器人所能达到的智能水平、工作柔性及灵巧性有很大关系。
移动机器人的分类可以有好多种，根据其移动方式来分，可分为：
轮式移动机器人、履带式移动机器人、步行移动机器人（单腿式、双腿式和多腿式）、蠕动式机器人、爬行机器人和游动式机器人等类型。
在本文中，只考虑机器人的避障研究，故选用两轮的差动机器人。
如图3.2所示：
图3.2普通两轮式差动机器人
目前，PSD作为位置敏感探测器件被大量地运用在机器人上，让PSD作为移动机器人的传感器件，放置在机器人上，通过控制系统，把他们联系在一起。
结合它们自身优势，可以成功避障。
本课题中运用了一个二维PSD进行探测障碍物和测量移动机器人到障碍物的距离。
3.2机器人的避障策略
把测距所选的二维PSD安装在机器人的正前方，当机器人在行走过程中，传感器会不断发出信号，探测机器人前方是否存在障碍物，以及障碍物距离机器人的长度是多少。
当移动机器人检测到障碍物并其与障碍物的距离等于或小于设定的安全距离时，移动机器人要作出指令，及时采取相应措施躲避开障碍物。
避障措施可以分为以下几种：
（1）停止
（2）左转（或右转）→前进
（3）后退→左转（或右转）→前进
方法
（1）是最简单、最容易实现的，当然也是最被动的，当移动机器人上的PSD检测到前方有障碍物时，控制系统则发出指令让机器人停止运动，这样就使机器人成功的避开障碍物。
这种方法的缺点在于，移动机器人停止后无法进行后面的任务。
方法
（2）是当移动机器人检测到前方有障碍物时，先让机器人转弯，旋转到一定的角度，使机器人不在面对障碍物，然后再继续前进。
旋转角度需要我们来设定，如果设定小了，机器人会被困在障碍物中间转来转去，找不到出口；
如果设旋转角定过大，然而障碍物间的出口又相对来说比较小，导致移动机器人的每次旋转都有可能超过出口，就不会比较简单躲开障碍物。
所以，我们要根据实际情况，选取合适的旋转角度值。
方法（3）是当移动机器人检测到前方有障碍物时，先让机器人后退一段距离，再重复方法
（2）的步骤，旋转一定的角度，最后再前进。
后退一段距离可以更加安全地离开障碍物，但是后退的距离不用太大，只要能成功躲避开障碍物就可以，主要靠经验设定，并根据实际情况进行调整。
经过对上述三种方法的总结，本文决定采用方法
（2），原因是它不仅避障效果好，而且操作起来比较简单，容易实现。
3.3环境信息及其避障行为
移动机器人所运行环境中的障碍物有两种形式，一种是静态障碍物，一种是动态障碍物。
本课题考虑的是在一种特定静态障碍物的情况下，机器人可以自主避开。
二维PSD可以探测二维面上的光斑，移动机器人在运动过程中通过对二维PSD探测到的信息进行分析处理，建立环境模型，来确定其行为。
在静态环境中的移动机器人，可以对障碍物做出快速和准确的反应。
障碍物的数量和位置不同可以直接影响到移动机器人的反应，不过，利用二维PSD可以把问题简单化，二维PSD不用考虑障碍物的大小，只要按照选定的尺寸，保证前方障碍物间的距离可以大于移动机器人的宽度即可，从而保证了机器人顺利通过。
3.4直流电机的驱动
移动机器人的驱动有很多种，常用的有直流电机、步进电机、同步电机、感应电机、无刷电机、直接驱动式转矩电机等等。
本文中，主要讨论的是两轮式差动机器人的避障情况，综合考虑移动机器人的运动特性，我们选用电池供电，这样就排除交流电机在此移动机器人上的运用。
因此，使用直流或步进电机作为机器人的驱动是首要的选择。
本设计移动机器人采用两轮独立启动，利用差速转向机构，让两个直流电机分别驱动机器人左右两个车轮，直流电机的转速的控制就直接影响到每个轮子的转动，从而可以实现移动机器人的前进、后退、转弯、停止。
如图3.3所示，是一个直流电机的模型：
图3.3直流电机的模型
所采用直流电机也具有很多优良的速度控制和启动性能，它的有点主要由以下几个方面：
（1）可以连续自主有效的进行启动、停止和反向动作，可以适合复杂的速度变化，响应特性比较好；
（2）运行特性稳定，电机在正转、反转时的特性相同，并且速度平稳，调速范围广；
（3）抗干扰能力好；
（4）启动时转矩大，有表较好的过载能力。
采用直流电机驱动移动机器人，只要在电机的两端加载在电机额定电压范围之内的电压，就能够驱动电机旋转。
如图3.4所示：
图3.4电压极性与电机旋转方向
在电机M的两端A和B上加上驱动电压V，当A正B负时，电机顺时针旋转，如图（a）；
反之，当A负B正时，电机逆时针旋转，如图（b）。
因此，要改变电机的旋转方向，只需改变加在电机两端的电压的极性即可。
对于直流电机而言，改变加在电机两端的电压大小，就可以改变电机的速度。
也就是说其速度和加在电机两端的电压值成正比（
为常数）：
（3-1）
电机速度和电压的关系可以用图3.5表示出来：
图3.5电机速度和电压的关系
电机的电流可以限制电机转矩，在电压一定的情况下，电流越大，电机转
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