超声波移动机器人控制系统设计毕业设计.doc

……本科毕业设计说明书（论文）摘 要智能机器人[1]作为现代的新发明，是未来的发展方向，它能够在一个环境里按照预定的模式自行运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等用途近几年来，超声波导航[2]已经成为了机器人导航的主要发展方向之一因为在基于超声波的智能机器人中，超声波就像机器人的眼睛，所以超声波导航是机器人发展的重要一部分 本文采用单片机[3]为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制机器人的自动避障，快慢速行驶以及自动停车本文设计的超声波移动机器人主要内容包括：底盘结构设计、底盘的控制系统以及超声波传感部分1.底盘结构设计：机器人采用独立驱动的两轮式结构，动力源采用步进电机[4]，减速装置采用齿轮减速，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器对机器人速度进行检测，实现机器人的自主定位2.底盘控制系统：应用单片机接受超声波传感器的信号，做出决策然后产生驱动信号，控制步进电动机步进电机的驱动电路采用两个电机驱动芯片，实现步进电机的控制，完成机器人转向、加速等功能3.超声波传感部分：以超声波传感器做为机器人的感知系统，把接受的超声波信号通过超声波处理技术提取机器人所在环境的环境特征，实现机器人对环境信息的采集。

关键词：超声波；差动式；步进电机；移动机器人AbstractAs a modern invention, the new intelligent robot indicate the development of the future, it can operate automatically in the pattern set in advance but not with human management. So, it can be applied in the field of scientific exploration and so on. In recent years, ultrasound has become the main way in the field of the robot navigations. Ultrasonic just like the robot's eyes, so the ultrasound navigation has played an important role in the development of the robot.In this paper, the robot select the single chip as the core of the control system, use the ultrasonic sensors to detect obstacles on the road, and control the robot avoid the obstacle and stop the car automatically, even control the speed during the driving.The paper about the design of the ultrasound robot includes the following parts: the design of the chassis’s structure, the control-system of the chassis and the method of some calculations about ultrasonic.1. The Design of the Chassis’s structure: the robot apply the two-wheels structure driven independently, choose the stepping motor as the power source, change the direction with the differential-velocities platform, and it also use incremental photoelectric encoder to test the speed of the robot’s motivation which help the robot locate itself automatically.2. The control-system of the chassis: The robot receive the signals of ultrasonic sensors with the microcontroller , which can make decisions and then generate the driving signals to control the stepper-motor. The driver-circuit applies two motor-driver-chips to control the stepper-motor, implement the functions of steering, acceleration and others.3. The part of Ultrasonic sensor and the algorithm: The ultrasonic sensors, as the robot's perceptual system, process the ultrasonic signal received to analyze the environmental characteristics where the robot’s in and to get the information of the environment.Key words：Ultrasonic wave; Differential type; Step-by-steps the electrical machinery; Moves the robotI目 录摘 要 IAbstract II引 言 11 绪论 21.1 移动机器人[5]的研究历史 21.2 移动机器人的研究意义 31.3 移动机器人研究的国内外现状 42 超声波移动机器人方案的确定 72.1 超声波移动机器人机械结构设计方案 72.2 超声波移动机器人控制系统设计方案 122.3 移动机器人传感器设计方案 133 超声波移动机器人机械结构设计 153.1 电动机的确定 153.2 减速器的确定 154 超声波移动机器人控制系统设计 204.1 差分驱动平台运动学模型 204.2 电子元件的选型 224.3 移动机器人的超声波原理 27结 论 35致 谢 36参考文献 37附 录 38引 言移动机器人在不确定环境下不仅要具备自主探测的能力，而且要对周围的特征环境具有较强的识别能力，才能最大限度地提高机器人的工作能力。

在移动机器人导航控制中，准确的目标识别技术主要应用于地图匹配、机器人自定位以及全局规划和局部规划的协调统一而以超声波为导航仪器的移动机器人己经成为机器人发展方向之一超声波导航定位通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波，超声波在介质中遇到障碍物而返回到接受装置通过接受自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出和回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离，就能得到障碍物到机器人的距离长期以来被广泛的应用到移动机器人的导航与避障中，而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配准技术，因此测距速度快实时性好同时，超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等外界环境条件的影响超声波己经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中，进行导航与避障1 绪论 1.1 移动机器人[5]的研究历史上个世纪60年代，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也取得了飞跃性的变化开始出现了现在普遍意义上的机器人1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名“尤尼梅逊”，意为“万能自动”尤尼梅逊的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。

这三部分都可以相对转动、伸缩，很像是人的手臂了它的发明人专门研究运动机构与控制信号的关系，可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作英格伯格和德沃尔认为汽车制造过程比较固定，适合用这样的机器人于是，这台世界上第一个真正意义上的机器人，就应用在了汽车制造生产中经过半个多世纪的发展，机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩，其种类也不胜枚举，几乎各个高精尖端的技术领域更是少不了它们的身影在这期间，机器人的成长经历了三个阶段第一代机器人是简单的示教再现型机器人，这类机器人需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，再不断地重复这些动作目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人它们基本上没有感觉也不会思考第二代机器人是低级智能机器人，或称感觉机器人和第一代机器人相比，低级智能机器人具有一定的感觉系统，能获取外界环境和操作对象的简单信息，可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废因此这类机器人又被称为自适应机器人20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加第三代机器人是高级智能机器人它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。

这类机器人目前尚处于实验室研究探索阶段移动机器人是一种集环境感知，路径规划，行为控制等多项功能于一体的高智能化机械系统，能够连续、实时地实现自主控制其中环境感知是指机器人所使用的各种传感器，它相当于机器人的感觉器官，目前机器人应用比较多的传感器有：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器、激光测距传感器、味觉传感器等等而超声波机器人由于它的成本低，不易受空气环境的影响，一直是机器人发展的一个方向1.2 移动机器人的研究意义机器人的应用越来越广泛，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间……机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：家务型机器人、操作型机器人、程控型机器人、示教再现型机器人、数控型机器人、感觉控制机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人、智能机器人等家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，具有一定的学。