基于超声传感器移动机器人路径规划和避障算法的研究.pdf

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1、浙江理工大学硕士学位论文基于超声传感器移动机器人路径规划和避障算法的研究姓名：郑利君申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：胡旭东20061201浙江理工大学硕士学位论文摘要本课题是结合省教委科学基金项目具有局部智能行为的遥操作机器人系统研制的子课题。移动机器人避障与路径规划是机器人研究的一个重要方向，是机器人导航技术中不可缺少的重要组成部分，是机器人完成任务的安全保障，同时也是机器人智能化程度的重要标志。本课题研究的是以超声传感器为基础的P i o n e e r I I D X E 移动机器人避障算法和路径规划的方法，其主要内容和成果有：根据课题内容，对比国内外关于该课题研究的不同情

2、况，对移动机器人路径规划和避障算法的研究方向进行了综述：简单介绍P i o n e e r D X E 移动机器人平台软、硬件特性，并根据运动学原理，建立P i o n e e r I I D X E 数学模型，并得出移动机器人在任一时刻的位移和方向角度值的计算公式，分析了避障过程中安全距离设定的原则，为研究移动机器人路径规划及避障算法奠定了理论基础；简述了超声传感器的特点、超声测距的原理及超声传感器在测距中存在的问题，创新点是针对P i o n e e r I ID X E 机器人传感器布局的特点建立数学模型，对其检测的障碍物位置坐标点通过公式进行估算，并通过比较各个传感器前后时刻所检测的障

3、碍物坐标值和相邻传感器所检测的障碍物坐标值来判断障碍物环境状况，为避障提供了依据，而且还根据超声波波束发散性的特点对其检测距离信息进行处理，通过仿真实验证明上述对障碍环境的判断和距离信息的处理是可取的，具有一定的可行性；在环境条件己知的条件下，利用几何算法讨论了移动机器人在不同障碍物环境下的路径进行规划，该算法容易理解，便于实现，而且计算简单，有利于提高运行效率，同时也解决了障碍物与机器人距离过近、障碍物与目标点位置过近以及障碍物存在交迭部分等死区问题；分析了基于超声传感器移动机器人利用模糊控制对其避障算法进行研究的方法的可行性，设计了利用双层模糊控制器来控制机器人的转角的思路，第一层模糊控制

4、器是将各个传感器所获得的数据经过模糊器处理获得其障碍物方向和距离信息，第二层是将上一层处理的数据分组(左方、前方和右方)和机器人的目标点、起始点与瞬时位姿的夹角共同作为输入，通过设定模糊控制规则来控制机器人的转角，并根据模糊算法中模糊控制规则的不确定性提出了通过遗传算法对浙江理工大学硕士学位论文其进行优化，寻找最优解，并对该避障算法进行仿真和真实环境下的实验，实验证明该控制方法不但有效避障，而且不需要外加“虚拟点”即可解决u 型陷阱问题；论文的结尾对全文进行了总结并对移动机器人避障和路径规划进行了展望。关键词：超声传感器移动机器人几何算法路径规划模糊控制I I塑坚里三查堂堡主堂垡丝苎T h e

5、r e s e a r c ho ft h ea l g o r i t h mo f o b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt h ep l a n n i n go fw a yt oM o b i l er o b o tw h i c ha v o i d e do b s t a c l eb yt h ew a yo fu l t r a s o n i cA b s t r a c tT h er e s e a r c hp r o j e c t，T h er e s e a r c ho ft h ea l g o r i t h mo

6、fo b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt h ep l a n n i n go fw a yt oM o b i l er o b o tw h i c ha v o i d e do b s t a c l eb yt h ew a yo fu l t r a s o n i c,w h i c hc o m b i n e sw i t ht h ep r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ts c i e n c ef o u n d a t i o n p r o j e c ta n d

7、i st h es u b o r d i n a t ep r o j e c to fi t：T h ed e v e l o p m e n to fr o b o ts y s t e mw i t hp a r t i a la u t o n o m o u so p e r a t i o na n di n t e l l i g e n tb e h a v i o ra n do p e r a t i o nb yr e m o t ec o n t r 0 1 T h er e a l-t i m eO b s t a c l ea v o i d a n c ea n

8、 dp a t hp l a n n i n gi so n ei m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c to ft h em o b i l er o b o t,a n di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h en a v i g a t i o nt e c h n i q u ef o rt h em o b i l er o b o t。A tt h es a m et i m ei ti st h es a f e g u a r dt oa c c o m p l

9、i s ht h et a s ka n di st h ei m p o r t a n ts y m b o lo f t h ei n t e l l i g e n tl e v e lf o rt h em o b i l er o b o t T h er e s e a r c ht ot h ea l g o r i t h mo fo b s t a c l ea v o i d a n c ea n dt h ep l a n n i n go fw a yb a s e so nt h eP i o n e e rI I D X E，w h i c hp e r c e

10、p tt h ee n v i r o n m e n tb ys o n i c T h ec o n t e n t sa r ca sf o l l o w s：t h et h e s i sm a k e sas u m m a r i z eo nd i f f e r e n tr e s e a r c ha s p e c t so ft h er e a l-t i m eo b s t a c l ea v o i d a n c ea n dp l a n n i n g，a n dc o n t r a s tt h ed i f f e r e n tl e v e

11、 lo ff o r e i g na n dd o m e s t i c；g i v i n ga no u t l i n eo f t h ep r o p e r c i e sa b o u tt h eP i o n e e rI ID X Ep l a t f o r ma n db u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga b o u tt h er o b o ta c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fk i n e m a t i c s，I nt h es

12、a m et i m ed e d u c i n gt h ec o m p u t i n gf o r m u l aa b o u tt h ei m m e d i a t em o v e m e n ta n dd i r e c t i o na n g l eo ft h er o b o t a n dm a k i n ga na s s a yo ft h ep r i n c i p l eo fs a f ec l e a r a n c es e t t i n g,w h i c hp r o v i d i n gf u n d a r r i e n t a

13、 lb a s i sf o rO b s t a c l ea v o i d a n c ea n dp a t hp l a n n i n g；g i v i n gas k e t c ho ft h ef e a t u r e so fu l t r a s o n i cs e n s o r,t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cr a n g i n ga n dt h eo p e nq u e s t i o nd u r i n gt h ep r o c e s s i o no fu l t r a s o n i

14、 cr a n g i n g b f i n gf o r t hn e wi d e a si st h a tb u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga c c o r d i n gt ot h en l浙江理工大学硕士学位论文r o b o t,a n dC a l c u l a t i n ga l la m o u n tt ot h ep o s i t i o nc o o r d i n a t e s,a n dt h e ng i v i n gt h ee s t i m a t eo ft

15、 h eo b s t a c l es i t u a t i o n m o r e o v e r m a k i n gd e a lw i t ho ft h ed a t aa b o u td i s t a n c eg a i n e db yu l t r a s o n i cs e n s o r,p r o v i n gt h ep r o c e s si sc o n e c t t h et h e s i sp u te m p h a s i so nt h ea l g o r i t h mo fo b s t a c l ea v o i d a n

16、 c ea n dt h ep l a n n i n go fw a y,a n dt h em e t h o do fc o n t r o l l i n go ft h es t a t u st ot h er o b o ta c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c es u r r o u n d i n g s I nt h eo b s t a c l e-k n o w nc o n d i t i o n s，p u to u tab e t t e rm e t h o db yg e o m e t r ya r i t

17、h m e t i c；w h i l ei nt h eu n k n o w nc o n d i t i o n s，p u tf o r w a r dt ot w o d o u b l ef u z z yc o n t r o l l e r,w h i c hw o r k so u tt h ep r o b l e m U”t r a pe f f e c t i v e l y I na d d i t i o nt oi t,t h ea l g o r i t h mo f t h ep a t hh a sb e e no p t i m i z e db yt h

18、 ew a yo f G A ma d d i t i o nt oi t,P r o v i n gt h ea r i t h m e t i cv e r a c i t ya n dr a t i o n a l i t yb yt h es i m u l a t i o na n dr e a le x p e r i m e n t I nt h ee n d,c a r r y i n go nt h es u m m a r yt ot h ea t t i c，a n dl o o k i n gi n t ot h ef u t u r et ot h es u b j

19、e c ti no r d e rt og a 粤t h eb e t t e re f f e c t i v e K e yw o r d s：s o n a r；m o b i l er o b o t；g e o m e t r ya r i t h m e t i c；p l a n n i n go fw a yf u z z y-c o n t r o l浙江理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品

20、及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：讳幸 右同期：口7 年弓月j g 日浙江理工大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工氏学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印成扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。唪学位论文属于保密I Z l，在不保密。哮位论文作者签名：郜剞君|=；|期：沪 年)岿L 7 日年解密后使用本版权书。指导教师签名嘲徽东日期：R o

21、酞0图2 8 移亏啦器人坐标系统重合情况图2 9 移动机器人坐标系统简单不重合情况由三角变换得到：侥=1 9+a r c t g _ XI2-(1 lY，旧V 万“O辫一图2 1 0 移动机器入坐标变换因此，A 点在绝对坐标系下的坐标值(x，J，)为：x=x o+瓜了雨了c m m2 一(2 y：y，+承了瓦s 骶通过上述方式，实现局部坐标系和全局坐标系之间的变换。2 2 2 移动机器人运动模型及位姿的确定在移动机器人动态分析过程中，从移动机器人的动作角度分析，该移动机器人采用璎轮驱动所以只有直线运动和圆弧运动两种运动方式：当两侧轮子的线浙江理工大学硕士学位论文速度一致时，机器人沿直线行驶；当

22、两侧轮子线速度不一致时，机器人作一定半径的圆弧运动。所以，通过对移动机器人的移动线速度与方向转角加以控制，便可以达到控制移动机器人的目的。在推导移动机器人运动方程之前，先作如下假设：(1)移动机器人的驱动轮在任何情况下都平行于移动机器人；(2)假设移动机器人的轮胎和地面仅有滚动而无滑动；(3)移动机器人在作转动时，左右轮的转角与方向始终保持一致。考虑到P i o n e e rI ID X E 移动机器人是一个具有二个自由度的移动机器人，其结构模型如图2 1 1 所示，移动机器人的X O Y 为绝对坐标系，x O R y 为相对坐标系，以两轮中心点连线中点q 在作为参考点，得到其运动学和动力学

23、嘲渊模型。嘶，。O一+x黼地，=I图2，1 1 移动机器人示意图A(q)q=02 一(3)肘(鼋)口十乃=B(q)T+A 7(g)五2-(4)0o 研o，丑(口)：oI 为扰动项，q=(x，Y，曰)，A=一m(x c o s 口+y s i n 力口，T 为马达驱动力矩，口、m、，、D 分别为移动机器人的方向角度、质量、转动惯量和两驱动轮之间的距乃)O伊SOC护nLS一(1 l、，g(41J浙江理工大学硕士学位论文选择4 固，零空间的一组基s ，=阿；习，则存在一新的控制V=“+v，)7 将方程2 一(3)转化为如下形式：=R；鞫2 嘲假定移动机器人的左右驱动轮的角速度为卿，c o,则有：H=

24、罢(卿坶)2-(6)叱=去(q q)2 _(7)其中，R 为驱动轮半径，D 为两驱动轮之间的距离。在这里，只需要控制两轮的转速就可以使移动机器人沿着不同的方向运动，假定左右两轮的转速比为k，则有：铲鲁2-(8)k p-1 时，有卿=鳞，移动机器人沿直线运动；l 时，卿 国，移动机器人左转弯；k ，移动机器人右转弯；因而易于控制，在这里移动机器人两驱动轮分别是由采用P W M 技术的直流伺服电机独立驱动。同时，可利用增量式旋转编码器的计数脉冲重建机器人状态踟。假定机器人左右两驱动轮的计数脉冲在第七个采样时刻内分别为m k 1 t，则方程2-(5)可表示为1 4浙江理工大学硕士学位论文：+譬(帆)

25、垃c o s 9,黾+l2+瓦(+吃y M+R丁T(彤I+rlk)tosinPk=Yk2(9)+瓦慨2 9 哪警(删k-I l k)加式中，+，Y k+和馥+t 为第i +1 时刻的位移和方向角度，肘，为轮子转动一周的脉冲个数，址为采样时间。这样，利用上式可求得当前时刻的状态变量值。但方程2 一(9)和2 5)相比较，存在积分误差，特别是当移动机器入长时间的工作，这种积分误差会逐渐累积变大，从而影响路径规划的精度，因而必须适当的选择采样时间以提高精度或采用卡尔曼滤波方法来降低这种积分误差。2 3 移动机器人安全距离的选取原则在讨论移动机器人安全距离嘲选取时，为了便于分析，根据前面所作的假设将移

26、动机器人看作是一个圆形的刚体，且参考点为其圆心处，同时机器人所作的是直线和圆弧运动，并在一个控制指令周期内，危险点作圆弧运动，且圆弧运动中心是不变的。由于在读取移动机器人传感器的信息时是由时间间隔的(一般是l O O m s)，所以当移动机器人运动速度较大时，就必须将时滞考虑进去，如移动机器人的运动速度是l O c l n s，则时滞距离最少为l c m 移动机器人在运动中要与周围的物体保持一定的距离，这样才能避开障碍物，避免发生碰撞，而这个距离即为最小安全距离。最小安全距离的大小和许多因素有关，其值一般由下列公式给出：D=R+R，2 一(1 0)在式乇2 一(1 0)中，R 表示运动半径，R

27、，为移动机器人的半径，下面我们根据两种不同情况，分别讨论在这两种情况下，安全距离的选取。情况一、前方障碍物安全距离的选取当移动机器人在行进过程中，超声传感器探测出前方有障碍物时，则转过一定的角度进行避障，在转动过程中，则作圆弧运动。圆弧运动是因为移动机器人在运动过程中左右两轮的速度不一致所产生的，假定移动机器人的运动速度为1 5浙江理工大学硕士学位论文1，圆弧运动的运动半径为置，且在遭遇前方障碍物时，旋转的角度为卯。图2 1 2 移动机器人前方障碍物时安全距离的确定则由图2 1 2 可知，移动机器人的前方安全距离为：D=R+R 其中R 的大小与机器人的运动速度有关，v 越大则R 越小，一般令机

28、器人运动速度为5 一l O c m s e c，若v=1 0 c m s e e，通过试验，并对实验数据进行最小二乘法处理可得，R 1 5 8 c m，而声纳在移动机器人的分布半径为2 5 c m，因此实际的安全距离应该为：D 1 5 8 c m+2 5 c m=4 0 8 c m2 一(1 1)而声纳测得的安全距离,t o 即为：d o R 1 5 8 c m情况二、侧面遇障碍物时移动机器人在运动过程中经常会遇到侧面声纳检测的距离小于前方障碍物距离的情况，同样可以分为左侧右侧遇障碍物两种情况，我们以左侧检测到障碍物为例，对其安全距离进行测定。1 6浙江理工大学硕士学位论文左饲球碍物图2 1

29、3 移动机器人左侧障碍物安全距离的确定如图2 1 3 所示，移动机器人运动方向和全局坐标的横坐标夹角为口，同样其在转弯时作圆弧运动，则可求得此时安全距离为：D=d+g，=R R c o s 8+屁，=g(1-e o s O)+R，1 5 8(1 一C O S 力+2 5 c m2 一(1 2)同样，声纳安全距离巩1 5 8(卜e o s S)。其中，口=9 口9 一口。2 4 本章小结本章对P i o n e e r I I D X E 移动机器人软、硬件特性进行了简单介绍；然后得出移动机器人实验所需的绝对坐标和通过超声传感器所获得的相对坐标之间相互转化的规则；接着建立P i o n e e

30、rI ID X E 运动模型，而该模型则是研究移动机器人运动规划的基础；同时根据模型推出移动机器人在任一时刻的位移和方向角度值的计算公式；最后分析移动机器人避障过程中安全距离选取原则，为后面章节利用几何法对移动机器人路径规划及避障算法奠定了理论基础。1 7浙江理工大学硕士学位论文第三章超声传感器及超声测距原理机器人对外界信息的感知是通过自身的传感器系统获得的，然后机器人利用获得的信息完成环境地图的绘制、路径规划、障碍物探测等工作。传感器处于连接外赛环境与机器人的接口位置，是机器入获取环境信息的窗口。而在本课题所讨论的移动机器人导航技术中，主要使用了超声波传感器，通过其测量障碍物到小车的距离。本

31、章我们主要介绍讨论超声传感器的特点、钡4 距原理，以及对超声传感器数据的处理这几方面内容。3 1 超声传感器随着机器人应用范围的推广，要求机器人具有更高的智能，机器人的研究除了要求机器人本身的逻辑功能更强、反应速度快外，对其感受外界信息能力的要求也提高了。要实现避障首先要进行障碍的识别和检测。一般在不同的环境下对外界目标进行识别、定位、测距的传感器有红外式、微波式、激光式和超声波式等等。其中超声波传感器具有控制简单、测距准确、抗干扰性好、价格较低等特点，因而成为机器人视觉传感器中一种常用的传感器。3 1 1 超声波的特点和应用声波是一种机械波，是质点的振动在弹性介质内的传播。声波可分为次声波、

32、超声波和特超声波。人类的耳朵能听到的声波在2 0 H z 一2 0 k H z 之间，频率在2 0 k H z 4 0 k H z 之间的声波为超声波汹胎1。超声波的特性和声波差不多，但由于它的频率高些，故它有着声波所没有的特性。波的传播速度为C、波长为彳、频率，的关系为：彳=C f，它们的传播速度取决于介质的密度。超声波与声波一样，可在气体、液体和固体中传播。声波在空气中的传播速度为3 4 0 m s。当超声波通过两种不同物质的界面时，会产生反射和折射。超声波的波长比声波的波长要短，波长越短，则它与光波的某些特性就越相近，因而超声波具有以下特点：浙江理工大学硕士学位论文(1)由于超声波的波长

33、较短，其发射的方向性就较强，这意味着它的发射能量较为集中，对于方向的鉴别能力就较强；(2)超声波在传播过程中，当遇到两种不同介质时，其大部分能量将会被反射，超声波也正是利用这个特性来探测物体或进行测距；(3)由于超声波的振动频率较高，它可以得到较大的加速度。因而超声波在防盗报警系统、液位测量、控制、测距、汽车防撞等设备中得到广泛应用。3。1 2 超声波传感器类型及特性为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。按其应用可分为通用型超声传感器和宽型超声传感器。通用型超声传感器只有一个谐振频率，接收和发射传感器是分开工作的，也就是平时所说的收发异体銎传感器。宽带型传感器由于具有两个

34、谐振点，所以一个传感器可兼作接收与发射传感器，也就是常说的收发同体型传感器。本课题研究对象P i o n e e rI I D X E 移动机器人上应用的超声传感器P o l a r i o d6 5 0 0 就是通用型传感器。而按其作用原理则可分为压电式、磁滞伸缩式、电磁式等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波传感器。压电式超声波传感器1 采用压电陶瓷制成，利用压电晶体的谐振来工作的，且其声电转换特性是可逆的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生

35、共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。压电陶瓷换能原理是利用压电效应制作的。当压电片上加一个大小和方向不断变化的电压时，压电片便会产生机械变形，其变形的大小和方向是与外加电压成正比的，即所谓的逆压电效应；当外加有频率为厂的压力，在压电片的两侧会产生频率为厂的电动势，也即正压电效应，若频率为超声波范围，则可制作出超声传感器。超声发射器频率特性如图3 I 所示。图中，f 0 为超声发射器的中心频率，浙江理工大学硕士学位论文图3 1 超声传感器的频率特性曲线在厶处超声发射器所

36、产生的声压能级和灵敏度最高，而在中心频率厶两侧，声压能及灵敏度迅速衰减，也就是说当超声发射器工作在中心频率厶附近时，超声传感器的有效探测范围大，声波最强；而在其它频率点处，要么探测的有效范围缩小，要么难以达到超声接收电路所要求的声压强度及灵敏度。因此，要提高超声传感器的工作灵敏度，一定要使用非常接近中心频率厶的驱动交流电压来进行激励。当然，也可以利用这种特性来在线调节超声测距系统的有效测距范围和波束宽度角大小。传感器的工作过程为；从超声波传感器的接头输入4 0 k H z脉冲的电信号，通过陶瓷片激励器和谐振片转换成机械振动能量，经辐射口将振动信号向外发射出去，发射出去的信号遇到障碍物后被反射回

37、来，接收端收到4 0 k H z 的反射信号，使谐振片谐振，通过内部转换输出一组电信号，应用输出的电信号可控制其它设备。3 2 超声波测距原理超声波传感器是用来测量物体的距离1。首先，超声波传感器会发射一组高频声波，二般为4 0 4 5 K l-l z，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度(3 4 0 米秒，空气中)，就可以获得物体相对于传感器的距离值了。3 2 1 超声波传感器测距理论超声波测距技术是一种有源非接触性测距技术，主要利用超声波在空气中的定向传播和固定反射特性(纵波)，通过接收自身发射的超声波反射信号，根据浙江理

38、工大学硕士学位论文超声波发出以及回波接收的时间差及其传播速度，计算出传播距离，从而得到障碍物到机器人的距离。3 2 2 超声波测距的方法超声波是因为具有在同种媒介中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。测量方法通常采用渡越时间检测法(T O F)。即超声波发射探头向某一方向发射出超声波，在气体中传播，当遇到障碍物反射后，被接收换能器接收。从超声波被发射到被接收这段时间称为渡越时间。渡越时间与气体介质中声速相乘，便可以得到超声波发射器和接收器之间的距离。可用数学公式描述如下：s=w M(3 1

39、)其中，S 为所测的距离，v 为超声波在气体介质中的传播速度，f。，为渡越时间。超声传感器的传播速度和空气的温度湿度有关，见表3-1，在比较精确的表3 1声速和温度关系l 温度I-3 0l 一2 0I 一1 001 02 0I3 04 0lI 声速l3 1 33 1 9I3 2 5l3 2 33 3 83 4 43 4 9l3 8 6l测量中，应该把温度的变化和其它因素考虑进去。在空气中，v 与温度r 的关系可用下式表示：v=3 3 1 4+0 6 0 7 X T(3 2)其中f 为摄氏温度(。C)。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为v 为常数。声速在常温下(2 0。C)下为3 4 0

40、 m I s e c。3 2 3 超声波换能器特性常用的超声波传感器大多采用圆片换能器(T r a n s d u c e r)作为信号源，声波换能器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。换能器在将电型号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩2 1浙江理工大学硕士学位论文形，(图3 2 一a)，而是一个类似花瓣一样形状，参见(图3 2-b，c)：而在实际应用中，产生的波形应该是三维的，类似拄状体。a 量理慧的形状b 宽菠牵c霉震覃图3 2 声波特性对于机器人的应用渊卿来说，超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位，以便可以进行避障动作。最

41、理想就是矩形，不但可以准确的获得物体的距离值，也可以准确的获得方位值，就是正前方。但是实际上，超声波的波束根据应用不同，有宽波束，和窄波束。宽波束(图3 2-b)的传感器会检测到任何在波束范围的物体，它可以检测到物体的距离，但是确无法检测到物体的方位，误差最高会有1 0 0 度左右，机器人将无法准确的确定其避障的动作。当然，作为只要探测物体有或者无的用途来说，宽波束的传感器是比较理想的。同理，窄波束(图3 2 一c)可以相对宽波束获得更加精确的方位角。在选择超声波传感器的时候，这个波形特性是必须要考虑的。而我们常用的是窄波束的超声传感器，由图3 3-0 可以明显看出，换能器所发出的能量主要集中

42、在主瓣部分，而旁瓣(又称副瓣)部分能量非常少，因此换能器发出的超声波就具有了方向性。其中，口是指指向性开角，它的大小一般在3 0。4 0 0 之间。3 3 超声波传感器测距中存在的问题o超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，在应用时需要引起注意。3 3 1 传感器的探测盲区超声波传感器对非常接近的物体会探测不到，这个距离称为物理探测盲区浙江理工大学硕士学位论文。很多超声波传感器发射和接收是同一个换能器，超声波的发射需要一定的时间，发射后电路转换到接收状态也需要一定的时间，在这段时间中，超声波传感器不能接收反射回来的超声波，因此产生探测盲区。有的

43、超声波传感器发射和接收换能器分开了，但是它们的工作电路却做在一起，发射时不能接收，接收时不能发射，因此，在使用超声波传感器时，需要注意距离非常近的情况下，所得的测量数据是不可靠的，甚至是错误的。3 3 2 超意测距的漫反射问题如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。图3 3 给出了几个例子。列爿&三角误差b 镜面反射实际距离c 多次反射图3 3 声坡反射中存在的问题图3 3-a 中的情况叫做三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。图3 3-b 中的情况叫做镜面反射，这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发

44、出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。图3 3-c 中的情况可以叫做多次反射。这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。浙江理工大学硕士学位论文3 3 3 超声测距中噪音问题虽然多数超声波传感器的工作频率为4 0 4 5 K h z，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在

45、比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。3 3 4 多超声传感器测距的串扰现象当前，在移动机器人避障导航系统中，为了能够在各个方向都能返回环境信息，一般在机器人的车身安装相隔一定角度韵多个超声传感器阵列，而串扰现象又称交叉问题正是由于这多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的，如图3 4 所示。

46、图3 4 串扰现象超声波x 发出的声波，经过镜面反射，被传感器z 和Y 获得，这时z 和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。浙江理工大学硕士学位论文3 4P o l a r o i d 超声传感器本论文研究所使用的移动机器人P i o n e e rI I D X E 采用美国P o l a r o i d 公司的超声传感器模块嘲。此超声波传感器P o l a r i o d6 5 0 0 是集发送与接收一体的一种传感器。如图3 5 所示，传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面

47、涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为4 9 4 k H z、电压为3 0 0 F A Cp k-p k 的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为4 9 4 k H z 的超声波。当接收回波时，P o l a r o i d6 5 0 0 内有一个调谐电路，使得只有频率接近4 9 4 k H z 的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。P o l a r o i d6 5 0 0 超声传感器发送的超声波具有角度为3 0 度的波束角，如图3 6 所示。图3 5P o l a r o i d6 5 0 0幽3 6P o l a r

48、o i d6 5 0 0 波求角超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量3 7 c m，可以通过减少内部消隐时间，可以使该探测盲区减少为2 5 c m。传感器和物体的距离小于2 5 c m 时，测得的数据误差非常大。

49、P o l a r o i d6 5 0 0 测距模块实物如图3 7 所示，其硬件模块的电路图如图3 8所示。T L 8 5 1 是一个经济的数字1 2 步测距控制集成电路。内部有一个4 2 0 K H z 的陶瓷晶振，”6 5 0 0 系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前1 6 个周期，陶瓷晶振被8 5 分频，形成4 9 4 K H z 的超声波信号，然后通过三极管Q 1 和变压器T l浙江理工大学硕士学位论文输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4 5 分频，以供单片机定时用。T L 8 5 2是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，

50、T L 8 5 2 主要提供了放大电路，当T L 8 5 2 接收到4 个脉冲信号时，就通过R E C 给T L 8 5 1 发送高电平表明超声波已经接收。图3 7P o l a r o i d6 5 0 0 测距模块图3 8P o l a r o i d6 5 0 0 硬件模块3 5 超声汲传感器测距在机器人领域中的应用由于声波发射的波束具有的一定的丌角，所以使用单一的超声传感器所测得的目标距离信息在精度和灵敏度上都存在一定的缺陷，在实际应用中往往使用多传感器共同工作，并采用传感器融合技术对检测数据进行分析、综合和平衡，利用数据间的冗余和互补特性进行容错处理，以求得到所需要的环境特征。基于上