智能避障機(jī)器人設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、智能避障機(jī)器人設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述1前言我們從廣泛意義上理解所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè) 獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的“活物”。其實(shí)，這個(gè)自控“活物”的主要器官并沒(méi)有 像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外 部信息傳感器，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器， 作為作用于周?chē)h(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、 長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來(lái)。機(jī)器人技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)中葉問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷四十多年發(fā)展已取得長(zhǎng)足進(jìn)步， 成為提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面極為重要的戰(zhàn)略高技術(shù)。目前，機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)日臻 成熟，應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)展，作為計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感器、先進(jìn)

2、制造等領(lǐng)域 技術(shù)集成的典型代表，面臨巨大產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)。國(guó)內(nèi)外業(yè)界專家預(yù)測(cè)，智能機(jī) 器人將是21世紀(jì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)方向。2003至2006年間，全球智能服務(wù) 機(jī)器人以每年40%左右的速度迅速增長(zhǎng)。當(dāng)代機(jī)器人專家現(xiàn)已達(dá)成了共識(shí)：作為 計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代IT綜合技術(shù)的一個(gè)必然延伸，機(jī)器人技術(shù)完全可能遵循“摩 爾定律”，以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)突破。智能機(jī)器人將成為繼家電、個(gè)人電腦之 后、第三個(gè)以超常規(guī)速度走向我們?nèi)粘Ｉ畹漠a(chǎn)品。如今知識(shí)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)電一體化和工業(yè)一體化等許多領(lǐng)域都在討 論智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)變得越來(lái)越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念是無(wú)法滿 足人們的需求，而智能控制與這些傳統(tǒng)的控制

3、有機(jī)的結(jié)合起來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高 整體的優(yōu)勢(shì)更好的滿足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控 制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)代。計(jì)算機(jī)控制與電子技 術(shù)的融合為電子設(shè)備智能化開(kāi)辟了廣闊前景。因此，智能技術(shù)的研究、應(yīng)用都 是非常有意義而且有很高市場(chǎng)價(jià)值的11。智能機(jī)器人，也稱輪式智能小車(chē)，是一種以汽車(chē)電子為背景，涵蓋控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多科學(xué)的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)， 一般主要由單片機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、紅外傳感器模塊和電源模塊等模塊組成。 一般而言，智能車(chē)系統(tǒng)要求在運(yùn)行的過(guò)程中，小車(chē)能夠?qū)嵭杏行У谋荛_(kāi)障礙物。 其原理是，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，紅外二極管

4、進(jìn)行接收，并將信號(hào)送于單 片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)合理的處理，來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)快慢，從而達(dá)到避障的 目的。2智能機(jī)器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在80年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮已席卷全球，世界上一些著名的 公司開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人（此時(shí)的移動(dòng)機(jī)器人主要用作大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu) 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），并促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)等多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來(lái)，以 研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技 術(shù)和真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人的更高層次的研究?，F(xiàn) 在機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣，種類也越來(lái)越多，但大體上可分為輪式機(jī)器人和足 式機(jī)器人。智能小車(chē)就是輪式機(jī)器人中的一

5、種，雖然是最基本的機(jī)器人雛形， 但其中已包含了大部分功能，綜合國(guó)內(nèi)外專家解釋，可普遍認(rèn)為機(jī)器人一般是 具有如下功能的機(jī)器：（1）動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功 能；（2）有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變；（3）有一定程度的智能，如記憶、感知、推測(cè)、決策和學(xué)習(xí)等；（4）有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作時(shí)不依賴于人的操縱。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控 制必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)代。機(jī)器人領(lǐng)域近幾年有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：（1）性價(jià)比逐步提高，性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、 便于操作和維修），而單價(jià)不斷下降。（2）工業(yè)機(jī)器人控制

6、系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展， 便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。同時(shí)，器件集成度提高。從而，大大提高了系統(tǒng)的 可靠性、易操作性和可維護(hù)性。（3）傳感器的作用日益重要，除傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感 器外，視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多種傳感器的融合技術(shù)已用來(lái)進(jìn)行環(huán)境 建模及決策控制。（4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò) 程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操作 機(jī)器人。（5）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的 操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室走入實(shí)用化階段。3智能機(jī)

7、器人發(fā)展的有利條件目前，與智能機(jī)器人有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)展非常迅速，這為智能機(jī)器人的快 速發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。3.1傳感器（1）精確的位置傳感器機(jī)器人的傳感器從最初的超聲測(cè)距到激光測(cè)距；從 低分辨率攝像頭到高清晰攝像機(jī)，機(jī)器人的傳感器越來(lái)越精確，這為機(jī)器人精 確獲得自身位置提供了良好的基礎(chǔ)。（2）觸覺(jué)傳感器人能夠在自然界活動(dòng)自如，很大一部分原因是人擁有靈敏 的觸覺(jué)。機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器擔(dān)當(dāng)了類似的任務(wù)，擁有了靈敏觸覺(jué)傳感器的機(jī) 器人，動(dòng)作不會(huì)像機(jī)械一樣僵硬。（3）語(yǔ)音識(shí)別人的語(yǔ)言是在長(zhǎng)期交流過(guò)程中形成的，這方便了人與人之間 交流。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人提供了聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，與人交流的平臺(tái)。（

8、4）圖像識(shí)別人對(duì)外界信息的感知80%來(lái)自于視覺(jué)，圖像處理和計(jì)算機(jī)視 覺(jué)的發(fā)展為機(jī)器人能夠理解圖像，快速處理圖像信息提供了強(qiáng)有力的保障。3.2機(jī)器人硬件（1）模塊化（2）MEMS技術(shù)應(yīng)用（3）物理 “softness”（4）功能 “softness”3.3機(jī)器人軟件（1）實(shí)時(shí)獲取和集成多源（視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、距離傳感、RFID、運(yùn)動(dòng)）（2）快速理解復(fù)雜環(huán)境（3）基于多傳感器的快速反應(yīng)軟件（4）可識(shí)別用戶意圖及喜好（5）跨平臺(tái)運(yùn)行（6）軟件模塊化4系統(tǒng)方案的選擇（1）主控單元的比較與選擇方案一：采用各類數(shù)字電路來(lái)組成小車(chē)的控制系統(tǒng)，對(duì)外圍避障信號(hào)，自 動(dòng)尋跡信號(hào)，無(wú)線遙控信號(hào)，語(yǔ)音控制信號(hào)進(jìn)行處理

9、。本方案電路復(fù)雜，靈活 性不高，效率低，不利于小車(chē)智能化的擴(kuò)展，對(duì)各路信號(hào)處理比較困難。方案二：采用51單片機(jī)來(lái)作為整機(jī)的控制單元。紅外線探頭采用市面上通 用的發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過(guò)比較芯片調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)接收。路線尋找 采用紅外線管對(duì)路面信號(hào)采集，送到單片機(jī)系統(tǒng)處理，同樣包括無(wú)線遙控信號(hào) 和語(yǔ)音控制信號(hào)。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分， 使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，更能達(dá)到 題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)件。（2）避障單元的比較與選擇方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響

10、較大，電路復(fù)雜，而且地面 對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。方案二：采用紅外線避障，利用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管 進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接收管 對(duì)反射回來(lái)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且 易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜，故采用方案二。紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收 強(qiáng)弱來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見(jiàn)光的影響較大，因此通過(guò)調(diào) 制信號(hào)產(chǎn)生38KHz的載波來(lái)減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就 會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的電平供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)避障功能由向。5紅外線測(cè)距的原理對(duì)某一

11、特定物體距離的測(cè)量是光學(xué)儀器領(lǐng)域的熱門(mén)課題之一。在機(jī)器人視 覺(jué)方面，快速精確的測(cè)距系統(tǒng)使機(jī)器人迅速準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)與機(jī)器人的距離，以 便使機(jī)器人迅速做出相應(yīng)的判斷和動(dòng)作。各種測(cè)距方法很多，目前應(yīng)用較多的主要有PSD測(cè)距法、超聲時(shí)間法、帶 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙象比較法和反射能量法。PSD測(cè)距法利用三角測(cè)距原理,用一種稱之為位置敏感器件(Position Sensitive Device)的PSD元件來(lái)獲得二路輸出信號(hào)，根據(jù)這二路信號(hào)來(lái)獲得物 體的距離量值。超聲時(shí)間法測(cè)量一束超聲波從發(fā)射到反射回儀器的時(shí)間來(lái)判斷被測(cè)距離。帶運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙象比較法則比較復(fù)雜，系統(tǒng)中有二套光路對(duì)被測(cè)物體像， 其中一套光路是經(jīng)過(guò)可運(yùn)

12、動(dòng)的反光鏡獲得的，接收系統(tǒng)及時(shí)比較二套光路來(lái)的 圖像，當(dāng)二者一致時(shí)，就可根據(jù)可運(yùn)動(dòng)反光鏡的位置來(lái)獲得物體的距離信息。反射能量法中儀器發(fā)射一束光(通常是近紅外光)照射到被測(cè)物體表面，儀 器同時(shí)接收被測(cè)物體的反射光能量，根據(jù)接收到的反射光能量來(lái)判斷被測(cè)物體 的距離。我們?cè)诩t外測(cè)距系統(tǒng)就是采用反射能量法。紅外傳感器的測(cè)距基本原理為紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，經(jīng) 障礙物反射后，由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，據(jù)此判斷 前方是否有障礙物。根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，由于接收管接收 的光強(qiáng)隨是隨反射物體的距離變化而變化的，因而，距離近則反射光強(qiáng)，距離 遠(yuǎn)則反射光弱的。因?yàn)榧t外線是介于可見(jiàn)光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可 見(jiàn)光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強(qiáng)的穿透能 力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。 自然界的所有物體只要溫度高于絕對(duì)零度都會(huì)輻射紅外線，因而，紅外傳感器 須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。參考文獻(xiàn)1宗光華.機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐M.北京航空航天大學(xué)出版社2004. 趙海蘭.基于單片機(jī)的紅外遙控智能小車(chē)的設(shè)計(jì)J，無(wú)線互聯(lián)科技-2011年3期.3何立民.單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)J，中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào),1995年No： 30.4周淑娟.基于單片機(jī)智能尋跡小車(chē)