全自主移動機(jī)器人的概念與研究現(xiàn)狀畢業(yè)論文

1、1 緒 論1.1 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷程自20世紀(jì)50年代世界上第一臺機(jī)器人裝置誕生以來，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個從低級到高級的發(fā)展過程，機(jī)器人(robot)一詞的含義也越來越廣泛。最早期的順序控制型機(jī)器人只能按照事先編制的指令完成預(yù)定的動作序列；隨后出現(xiàn)了示教再現(xiàn)機(jī)器人，可以利用記憶裝置，按照一定的速度記錄下示教過程的姿態(tài)信息和操作內(nèi)容，然后再現(xiàn)原軌跡和操作內(nèi)容；后來出現(xiàn)了可控軌跡型機(jī)器人，具有了完善的計算機(jī)控制系統(tǒng)和較強(qiáng)的計算能力，只需給出操作任務(wù)和部分軌跡信息，機(jī)器人就可以自動規(guī)劃出完整的控制程序。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各種新型的傳感器為機(jī)器人賦予了更多的感覺，適應(yīng)型機(jī)器人就是這樣一類機(jī)器人

2、，它可以采集各種外部感覺(如視覺、觸覺等)信息，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整其運(yùn)動軌跡和操作，適應(yīng)環(huán)境的變化。到今天為止，機(jī)器人發(fā)展的最高水平是智能機(jī)器人，它是當(dāng)今機(jī)器人發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。智能機(jī)器人除了具有感知環(huán)境和簡單的適應(yīng)環(huán)境能力外，還具有較強(qiáng)的識別理解功能和決策規(guī)劃功能。目前，已經(jīng)有出現(xiàn)了多種智能機(jī)器人，例如日本sony公司生產(chǎn)的愛寶機(jī)器狗，本田公司的asimo以及sony公司最近推出sdr-4x等。從機(jī)器人的簡要發(fā)展歷程可以看出，機(jī)器人的發(fā)展正朝著多功能化、智能化、大眾化的方向發(fā)展。機(jī)器人的概念已不再是傳統(tǒng)的裝配機(jī)、機(jī)械手和數(shù)控機(jī)床，新興的高度智能化的仿生機(jī)器人，體積微小的納米機(jī)器人，不畏艱險的探險機(jī)器

3、人等不斷地充實著機(jī)器人這個大家庭，其中，智能機(jī)器人所占的比重必將越來越大，它在諸如軍事、醫(yī)療、娛樂、探險等越來越廣泛的范圍內(nèi)將發(fā)揮重要的作用。按照智能機(jī)器人的智能化程度高低，可以分為外部受控機(jī)器人，半自主機(jī)器人和全自主機(jī)器人。外部受控機(jī)器人的本體上沒有智能單元，只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)，它受控于主機(jī)器人或者外部計算機(jī)。在主機(jī)器人或外部計算機(jī)上具有智能處理單元，它全權(quán)處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，進(jìn)行智能化處理，然后發(fā)出控制指令，指揮機(jī)器人的動作。目前深受歡迎的機(jī)器人世界杯的小型組比賽中，使用的機(jī)器人就屬于這樣的類型。半自主機(jī)器人具有了部分處理和決策功能，能夠

4、獨(dú)立地實現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制；全自主機(jī)器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以像一個自主的人一樣獨(dú)立地活動和處理問題。在機(jī)器人世界杯的中型組比賽中使用的機(jī)器人就屬于這一類型。本文的研究內(nèi)容就是全自主移動機(jī)器人的感知模塊多傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.2 全自主移動機(jī)器人的概念與研究現(xiàn)狀全自主移動機(jī)器人的最重要的特點(diǎn)在于它的自主性和適應(yīng)性，自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù)；適應(yīng)性是指它可以實時地識別和測量周圍的物體，并根據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，調(diào)整動作策略，以及處理緊急情況。全自動移動機(jī)器人已經(jīng)有了一

5、些成功的范例，例如，德國研制的一種輪椅機(jī)器人在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中進(jìn)行了實地表演，它在有大量乘客的環(huán)境中，獨(dú)立進(jìn)行了36個小時的考驗，表現(xiàn)出其他輪椅無可比擬的性能。日本sony的愛寶可以模仿狗的各種動作，理解一些簡單的語言，還可以根據(jù)不同的口令做出不同的反應(yīng)。由于全自主移動機(jī)器人涉及諸如驅(qū)動器控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、圖象處理、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多方面的研究，它能夠綜合反映一個國家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平，因此，許多國家都非常重視全自主移動機(jī)器人的研究。從80年代起，美國國防高級研究計劃局(darpa)就專門立項，制定地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃，從而在全世界范圍內(nèi)掀開了全

6、面研究移動機(jī)器人的序幕。國外比較著名的機(jī)器人研究計劃有：美國能源部制定的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計劃(ripa)及后來的空間機(jī)器人計劃，歐洲尤里卡的機(jī)器人計劃，日本通產(chǎn)省的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計劃等。從總體的研究狀況來看，日本在應(yīng)用型的移動機(jī)器人研究方面走在了世界的前列，而美國和歐洲的一些國家在有關(guān)移動機(jī)器人的智能問題方面處于領(lǐng)先地位。歐盟聯(lián)合研究項目tide(technology initiative for disabled and elderly people)中有一項荷蘭承擔(dān)的m3s(multiple master and multiple slave)計劃著重研究智能輪椅等移動機(jī)器人的硬件

7、系統(tǒng)、總線標(biāo)準(zhǔn)與接口協(xié)議等；還有一些課題著重研究基于范圍的傳感器(如超聲、紅外等)導(dǎo)航問題，如英、德、意三國聯(lián)合項目omni(office wheelchair with high manoeuvrability and navigational intelligence for people with severe handicap),美國密歇根大學(xué)的navchair和mit的wheelesley。這些系統(tǒng)利用了超聲和紅外傳感器進(jìn)行測距，實現(xiàn)了不同的導(dǎo)航算法，并取得了較好的效果。但是由于這些傳感器的固有特性，使用它們存在著一些缺點(diǎn)：如測量距離有限，魯棒性差等。為了彌補(bǔ)超聲波和紅外傳感器的不足

8、，許多學(xué)者進(jìn)行了基于視覺導(dǎo)航的研究，比較成功的例子有：美國cmu的bookstore計劃完全采用了視覺作為導(dǎo)航方式，實現(xiàn)了基于圖象的視覺定位和導(dǎo)航；日本的nagasaki university & ube technical college 的智能輪椅采用了室內(nèi)燈光作為導(dǎo)航標(biāo)記，使用了自然圖象和激光反射圖象相結(jié)合的方法實現(xiàn)了自定位；西班牙的siamo計劃采用了黑白圖象編碼路標(biāo)作為定位標(biāo)記，實現(xiàn)了視覺導(dǎo)航。在機(jī)器人智能技術(shù)方面，一些機(jī)器人已經(jīng)可以在非結(jié)構(gòu)動態(tài)環(huán)境中，利用視覺傳感器以及其他的多種傳感器，實現(xiàn)可以對周圍的環(huán)境進(jìn)行自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，并能夠通過各種交互方式與人交流，學(xué)到關(guān)于環(huán)境的先驗知識。

9、例如，美國密歇根州立大學(xué)的sail機(jī)器人就可以通過多模態(tài)感知接口進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)，使之成為具有初步人類智能的自學(xué)習(xí)導(dǎo)航機(jī)器人。在交互技術(shù)方面，近年來有許多研究機(jī)構(gòu)致力于將語音識別技術(shù)作為一種交互方式應(yīng)用于移動機(jī)器人，而且取得了許多成果，例如：意大利的maia計劃，該計劃中的機(jī)器人能夠在連續(xù)語音，非特定人的條件下，識別口語化的命令；日本的jijo-2機(jī)器人也能夠在連續(xù)語音中識別口語化命令，它被用于辦公室的信息咨詢和引導(dǎo)來賓；德國的rhino服務(wù)機(jī)器人能夠聽懂簡單的短語命令，并對環(huán)境噪音有很強(qiáng)的魯棒性，已經(jīng)開始應(yīng)用于展覽館中咨詢和導(dǎo)游工作；nec公司也開發(fā)出人機(jī)交流機(jī)器人papero,它可以通過內(nèi)置的

10、ccd攝像機(jī)識別大約10個人的面孔，并且可以識別650個單詞，說3000句話，制造它的最終目的是在將來可用作家庭安全系統(tǒng)、護(hù)理系統(tǒng)、子女教育設(shè)備等的接口設(shè)備。國內(nèi)全自主移動機(jī)器人方面的研究起步較晚，但是發(fā)展非常迅速。具有一定影響力的機(jī)器人有：清華大學(xué)的thmr-v自動駕駛小車，已經(jīng)可以在一定的校園環(huán)境中自由行走；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的迎賓機(jī)器人，實現(xiàn)了無纜行走、自動避障、語音識別等功能；中科院自動化所模式識別實驗室開發(fā)了我國第一代智能輪椅平臺，已經(jīng)具備了超聲、紅外等多傳感器融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，并可以實現(xiàn)簡單的口令控制。此外，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所也研制成功了自動導(dǎo)引車和一種移動機(jī)器人平臺。1.3 移

11、動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究內(nèi)容在智能移動機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究基礎(chǔ)。該技術(shù)是指移動機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在動態(tài)的、有障礙物的環(huán)境中，面向目標(biāo)的自主運(yùn)動。導(dǎo)航技術(shù)的核心內(nèi)容包括：1）傳感器技術(shù)。該技術(shù)主要是對機(jī)器人自身內(nèi)部的位置、方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器，其中內(nèi)部傳感器有編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤、激光全局定位傳感器、gps和激光雷達(dá)等，外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。2）信息融合技術(shù)。移動機(jī)器人的多傳感器信息融合方面的研究始于二十世紀(jì)80年代，常用的方法有加權(quán)平均法

12、、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、統(tǒng)計決策理論、d-s證據(jù)推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則等。3）定位技術(shù)。定位技術(shù)可分為絕對定位和相對定位技術(shù)兩類，用于確定移動機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，是移動機(jī)器人導(dǎo)航的最基本環(huán)節(jié)。4）路徑規(guī)劃。目的是使移動機(jī)器人按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次最優(yōu)的無碰路徑。根據(jù)掌握環(huán)境信息的完整程度可分為環(huán)境信息完全已知的離線全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的在線局部路徑規(guī)劃，分別稱為靜態(tài)路徑規(guī)劃和動態(tài)路徑規(guī)劃。1.4 導(dǎo)航常用傳感器介紹移動機(jī)器人導(dǎo)航的主要目的是在實現(xiàn)自身定位和探知周圍環(huán)境的條件

13、下，找到一條可行路徑，到達(dá)目的地。同時在移動機(jī)器人運(yùn)動過程中，應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)避障和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。導(dǎo)航用的傳感器主要用于實現(xiàn)周圍環(huán)境信息的獲取及自身定位。周圍環(huán)境獲取包括確定障礙物位置，而定位包括實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。在實際應(yīng)用中，有些傳感器一般單純用于定位，即它們只能檢測當(dāng)前位置或自身姿態(tài)，但不能給出外界環(huán)境的任何描述。如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)gps、旋轉(zhuǎn)電位計、光電編碼器、陀螺儀、加速度計、磁羅盤等。而有些傳感器則既用于定位，又用于環(huán)境探測。如視覺、超聲、紅外、激光雷達(dá)等傳感器。這些傳感器因為各自特點(diǎn)的不同，而用于不同的場合，適應(yīng)不同的目的。移動機(jī)器人視覺導(dǎo)航是隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來

14、的一種導(dǎo)航方式，由于信息量大、適用范圍廣而成為目前機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。在視覺導(dǎo)航方式中，目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的還是采用在機(jī)器人上安裝車載攝像機(jī)的基于局部視覺的導(dǎo)航方式，它的主要作用是進(jìn)行環(huán)境探測，以確定障礙物和自身的位置，再進(jìn)行路徑規(guī)劃，到達(dá)下一目標(biāo)位置。視覺導(dǎo)航的缺點(diǎn)是難以區(qū)分將要探測的目標(biāo)與背景。為將障礙物與背景分開，所需的圖像計算量很大，導(dǎo)致系統(tǒng)的實時性較差。目前，對基于視覺系統(tǒng)導(dǎo)航的研究有很多，也是發(fā)展的主要方向。因為成功應(yīng)用在sojourner上，視覺導(dǎo)航也成為被送上火星的火星漫步者的主要導(dǎo)航方式。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)：即gps（global positioning syste

15、m）是目前一種比較成熟的室外導(dǎo)航技術(shù)，由空間部分、地面支撐系統(tǒng)和用戶接收機(jī)三部分組成。空間部分由24顆衛(wèi)星組成（包括3顆備用衛(wèi)星），它們發(fā)射帶編碼的rf信號。采用三邊測量方法，用戶接收機(jī)通過測量衛(wèi)星rf信號的傳輸時間能夠計算其與衛(wèi)星的距離，同時這些信號也包含了有關(guān)衛(wèi)星瞬間位置的信息。從理論上說，知道了地面接收器到3顆衛(wèi)星的準(zhǔn)確距離就能夠計算出接收器的緯度、經(jīng)度和海拔高度。用戶接收機(jī)分為c/a碼和p/y碼接收機(jī)兩種，高精度的p/y碼接收機(jī)只能被美國軍方和其特許用戶使用。由于美國政府有意在定位和衛(wèi)星位置參量上設(shè)定了少許的偏差，c/a碼用戶接收機(jī)的水平定位精度為100米。差分gps技術(shù)，即dgps，

16、是在gps定位精度不能令人滿意的情況下產(chǎn)生的，它由差分臺、數(shù)據(jù)鏈和用戶接收機(jī)組成。dgps是先精密地測量差分臺的位置，作為該點(diǎn)的真實位置。差分臺也是一臺gps接收機(jī)，它將差分臺接收機(jī)與真實位置之間的差分作為公共誤差校正量下載給用戶機(jī)，用戶機(jī)用該校正量對本機(jī)位置輸出進(jìn)行校正，最后可以得到米級的定位精度。旋轉(zhuǎn)電位計和光電編碼器一般用于測距法。測距法是相對定位技術(shù)的一種，采用隨時間累積路程增量的原理。旋轉(zhuǎn)電位計是常用的模擬式測距傳感器，而光電編碼器是常用的數(shù)字式測距傳感器，二者均用于確定移動物體移動的距離。光電編碼器又可分為絕對式編碼器和增量式編碼器，前者將位移直接變換成數(shù)字量并行輸出，后者將位移變

17、換成相對于某基準(zhǔn)點(diǎn)的串行脈沖序列輸出。陀螺儀和加速度計是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常用的傳感器。陀螺儀測量回轉(zhuǎn)速度，加速度計測量加速度，測量值的一次或二次積分可分別計算出角度或位置參量。磁羅盤可以測出當(dāng)前朝向與地磁北極的夾角，所以一般用于確定移動機(jī)器人的朝向。超聲、紅外是基于時間度躍法進(jìn)行測距的傳感器，激光雷達(dá)是基于測量發(fā)射信號與返回信號間的相位差來測量距離的傳感器，因而通常用于環(huán)境探測和自身定位。超聲傳感器測量精度較高(約1厘米)，操作簡單，價格較低。但探測波束角較大，方向性差，往往只能獲得目標(biāo)的距離信息，不能提供目標(biāo)的邊界信息。紅外、激光雷達(dá)傳感器的探測視角小，方向性好。如果將紅外傳感器和超聲波傳感器同

18、時應(yīng)用于機(jī)器人，就能提供全范圍的探測結(jié)果，超聲波傳感器的盲區(qū)正好可以由紅外傳感器來彌補(bǔ)。1.4 本論文的主要研究內(nèi)容本研究的主要目的是設(shè)計在室內(nèi)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中用于移動機(jī)器人導(dǎo)航和避障用的傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)以微控制器（89s52）為數(shù)據(jù)采集核心，采用超聲波傳感器、紅外傳感器、光電傳感器、磁場傳感器對移動機(jī)器人周圍環(huán)境信息及自身姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且通過485總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文各章的主要內(nèi)容如下：第一章緒論，對國內(nèi)外移動機(jī)器人及其導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了綜述，介紹了移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)及移動機(jī)器人導(dǎo)航中常用的傳感器，最后提出了本研究工作的主要目的，并闡述了本文的主要內(nèi)容。第二章闡

19、述系統(tǒng)的硬件的總體原理及傳感器的選擇，各個模塊的構(gòu)建包括超聲波測距電路、紅外線避障電路、電子碼盤電路、電子羅盤電路、通信模塊電路的原理及具體實現(xiàn)，以及各模塊與單片機(jī)間的接口電路，系統(tǒng)總體的硬件設(shè)計。第三章根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的軟件部分，包括超聲波、電子羅盤在內(nèi)的主程序，通過中斷方式完成的紅外線數(shù)據(jù)采集程序，通過串口通信的電子羅盤程序，以及與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)接收發(fā)送程序。第四章系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試及性能測試第五章是對本設(shè)計進(jìn)行總結(jié)展望 2 系統(tǒng)的硬件部分2.1 系統(tǒng)總體原理基于多傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是移動機(jī)器人感知外界環(huán)境的核心部分。移動機(jī)器人通過它來對周圍環(huán)境狀況進(jìn)行測量。系統(tǒng)包括了多傳感器部分和

20、數(shù)據(jù)采集部分，傳感器是機(jī)器人感知外部環(huán)境的直接手段，由于在本設(shè)計中，移動機(jī)器人需要在實現(xiàn)避障和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，完成自主式移動，因此它必須對其工作環(huán)境的狀態(tài)有一清楚的了解，通過多傳感器測量能簡單描繪出其所處在工作環(huán)境狀況。移動機(jī)器人除了在對外界環(huán)境了解的基礎(chǔ)上還需要對自身的速度和方位也有了解，這樣才能正確指示移動機(jī)器人下一步動作。綜上所述，整個系統(tǒng)分成五大功能模塊，依次為：超聲波測距模塊、紅外避障模塊，電子碼盤模塊，電子羅盤模塊，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及通信模塊。系統(tǒng)通過超聲波傳感器對周圍物體進(jìn)行距離測量，利用紅外線傳感器對近距離的物體進(jìn)行檢測，利用電子碼盤對行程進(jìn)行測量，利用電子羅盤對所處方位進(jìn)行測

21、量，通過單片機(jī)采集這些數(shù)據(jù)信息，利用單片機(jī)的串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)的整體原理如圖1圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.2 傳感器的選擇為了實現(xiàn)移動機(jī)器人的自主移動，就必須依靠自身攜帶的傳感器，通過主探的方式來完成對外部環(huán)境的感知。由于在實現(xiàn)避障和無碰撞路徑規(guī)劃的過程中，機(jī)器人本身與周圍環(huán)境以及障礙物之間的距離是最關(guān)鍵的因素。因此，我們對于傳感器的選擇，也集中在測量距離這一參數(shù)上，一般機(jī)器人測距傳感器采用非接觸的測量方法，測量周圍環(huán)境的物體或被操作物體的空間位置。非接觸測量距離的方法很多，從納米級微小位移到成千上萬公里甚至更遠(yuǎn)的距離，它們的測量應(yīng)用了很多原理，采用了各種不同的裝置，對機(jī)器人來說，所需測

22、量的距離一般為零點(diǎn)幾毫米到幾十米遠(yuǎn)，因此機(jī)器人測距傳感器的測量范圍一般都包含在這個范圍內(nèi)。根據(jù)所采用的原理不同，機(jī)器人測距傳感器可以分為以下幾種：（1）電磁類測距傳感器電磁類測距傳感器主要有三種類型，它們分別基于電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電渦流原理。電磁類測距傳感器的核心是線圈和永久磁鐵構(gòu)成，當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離或靠近鐵磁性材料時，會引起永久磁鐵磁力線的變化，從而在線圈中產(chǎn)生電流。當(dāng)傳感器與被測物體相對靜止時，由于磁力線不發(fā)生變化，因而線圈中沒有電流，因此這種傳感器只有在外界物體與之產(chǎn)生相對運(yùn)動時，才產(chǎn)生輸出，且隨著距離的增大，輸出信號明顯減弱，因而這種類型的傳感器只能用于很短距離的測量。電渦流測距傳感器的

23、最簡單的形式只包括一個線圈，線圈中通入交變電流，當(dāng)傳感器與外界導(dǎo)體接近時，導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生電流，即電渦流效應(yīng)，傳感器與外界導(dǎo)體的距離變化能夠引起導(dǎo)體中所感應(yīng)產(chǎn)生電流的變化。通過適當(dāng)?shù)臋z測電路，可從線圈中耗散功率的變化中，得出傳感器與外界物體之間的距離。霍爾效應(yīng)測距傳感器則因其應(yīng)用此原理而得名，當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離被測導(dǎo)體時，在特定導(dǎo)體上有較強(qiáng)的磁場；當(dāng)其靠近時，磁場變?nèi)?。磁場的變化引起特定?dǎo)體兩端電壓的變化，根據(jù)這個原理可實現(xiàn)對距離的測量。由以上對于幾種感應(yīng)式傳感器的分析可以看出，它們存在一些相同的缺陷：這一類傳感器一般對于鐵磁材料比較敏感；檢測信號（電壓、電流等）與被測量（距離）之間不是線性的對應(yīng)關(guān)系

24、；測量時受外界電磁干擾較大；可測量的范圍較小，距離較近，一般僅為零點(diǎn)幾毫米。顯然，它們都不適用于移動機(jī)器人的測距。（2）電容式測距傳感器此類傳感器通過測量外界物體靠近傳感器所引起的電容變化來反映距離信息。最基本的用于檢測電容變化的電路中，將電容作為振蕩電路中的一個元件，只有在傳感器電容值超過某一閥值時，振蕩電路才開始振蕩，將此信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，即可表示與外界物體的距離。電容式傳感器只能用來檢測很短的距離。一般僅為幾個毫米，超過這個距離，傳感器靈敏度將急劇下降，并且由于內(nèi)部采用閥值判斷，不能起到精確測量的作用，而只能實現(xiàn)開關(guān)的工作方式。因此，不適合精確的測距用途。（3）紅外和光電傳感器這類測距

25、傳感器是依靠紅外線或是其它不可見光的直線傳播特性，通過光敏元件來發(fā)射和接收信號，從而判斷障礙物的存在與否。由于光線的傳播速度極快，通常難以通過簡單的裝置估算其傳播距離，因此在簡單、低成本的應(yīng)用中，這類傳感器也是主要用于狀態(tài)的判斷（障礙物的有否、物料是否到位、液面是否過高等）而無法實現(xiàn)對距離的實時測量，因此這類傳感器不適用于移動機(jī)器人的測距但可用于移動機(jī)器人的避障裝置。（4）超聲測距傳感器在排除了以上幾種測距傳感器的條件下，我們選擇了超聲測距傳感器，作為移動機(jī)器人測距的主要傳感器部件。主要有以下幾方面的因素：測量方式原來簡單，便于實現(xiàn)。測量范圍可以從幾厘米一直到幾十米，完全滿足了移動機(jī)器人測距的

26、要求。測量精度高，整體誤差可以控制在量程的0.5%范圍內(nèi)。超聲波傳感器有一定的覆蓋性，因此，可以有較少的傳感器數(shù)量覆蓋較大的測量范圍。被測量物體的最小尺寸可以通過選擇測量用超聲波信號的波長（頻率）來決定。目前，超聲波測距傳感器在移動機(jī)器人導(dǎo)航中應(yīng)用十分廣泛。它的測量原理是基于測量渡越時間，即測量從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后，沿原路返回到接收換能器所需的時間。由渡越時間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器之間的距離。2.3 傳感器模塊的構(gòu)建在選定傳感器的基礎(chǔ)上，必須進(jìn)一步對整個傳感模塊的工作方式加以確定。（1）傳感器數(shù)量的選擇由于機(jī)器人需要檢測的范圍包含整個前進(jìn)方向，因此，傳感器的測量范

27、圍也必須以此為依據(jù)；同時，為了能夠為避障和軌跡規(guī)劃提供更多的環(huán)境參數(shù)，機(jī)器人對于其左右兩邊及后方的環(huán)境也要加以探測。因此，在設(shè)計中，我們選擇了超聲波傳感器和紅外線傳感器各8對。其中各三對用于正前方，左右各一對，另外三對用于后方。（2）實際探測范圍由于每一個超聲波、紅外線傳感器都有其一定的信號有效范圍，因此，傳感器的整體布局就直接決定了移動機(jī)器人的實際可探測范圍，對于超聲波傳感器，其所能探測的可靠區(qū)域是指發(fā)射探頭和接收探頭共同的信號區(qū)域（如圖2）。圖2 單對超聲波傳感器的探測范圍而由幾個信號有效區(qū)域組合在一起，就形成了實際可探測范圍（每對傳感器之間是分時工作的）。 圖3 由三對傳感器組成的整體探

28、測范圍以前方三組傳感器為例，我們在布置時是按照一定的尺寸要求，使三對傳感器共同組成的探測范圍完全包括了移動機(jī)器人所需通過的空間（如圖3所示）。在圖3中，我們在機(jī)器人運(yùn)動方向上劃分出不同的區(qū)域，離車身較遠(yuǎn)的是測量區(qū)，傳感器的可靠測量集中在這一部分，而距離比較近的是盲區(qū)。在這一區(qū)域內(nèi)，由于傳感器自身存在的缺陷以及安裝結(jié)構(gòu)的局限，使機(jī)器人對于障礙物的測量存在盲點(diǎn)，是測量的不可靠區(qū)域。為了消除這一盲區(qū)，在超聲波傳感器的基礎(chǔ)上，再使用紅外線傳感器對這一盲區(qū)的障礙物進(jìn)行有效測量，從而實現(xiàn)移動機(jī)器人的全面避障。（3）工作時序由于總共存在八對超聲波傳感器，而且為了減少對與對之間的干擾，每一對傳感器必須具有單獨(dú)

29、的工作時間段。因此，它們之間必定存在一定的工作時序。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們是通過掃描的方式，循環(huán)的控制路選開關(guān)，使其按照一定的順序接通每對探頭。由于機(jī)器人在不斷的移動，為了使傳感器獲得的信息迅速地反映環(huán)境的變化，掃描的周期必須足夠的短（相對于環(huán)境變化和機(jī)器人的移動速度）。在具體實施中，我們的掃描周期為幾十毫秒，這樣就極大地提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。紅外線傳感器只要安裝準(zhǔn)確，對于對之間不要靠的太近，發(fā)射信號不要讓其他接收頭接收到，就不存在著工作時序的問題。2.4 各傳感器模塊的具體實現(xiàn)2.4.1超聲波測距模塊（1）脈沖回波測距法超聲波測距利用了超聲波在空氣中是以恒定的速率傳播這一特性，在已知聲波

30、傳播速率的前提條件下，通過向被測物體發(fā)射超聲波，接受其反射回波，并記錄發(fā)射與接收之間的時間間隔，從而計算出被測物體的距離。由于每次發(fā)射的都是一定寬度的脈沖信號，因此，這種測距方法稱為脈沖回波測距法。假設(shè)室溫下聲波在空氣中的傳播速度是c，測量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間是t秒，距離s可以由下列公式計算：s=ct/2（因為聲波經(jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍）由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，公式如公式1。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是

31、超聲波測距儀的機(jī)理。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=溫度 () （公式1）（2）超聲波傳感器原理為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。又由于超聲波傳感器是將激勵電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動從而產(chǎn)生聲波（或反之）的裝置，習(xí)慣上又將其稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。以下簡稱為超聲波探頭。從產(chǎn)生超聲波的機(jī)理上說，超聲波探頭可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。我們在移動機(jī)器人中安裝的超聲波探頭就屬于壓電式的，壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖

32、信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。圖4超聲波傳感器結(jié)構(gòu)（3）超聲波測距系統(tǒng)的電路圖實現(xiàn)超聲波脈沖的實現(xiàn)方法有兩種：一種是基于微型單片機(jī)定時器中斷來產(chǎn)生超聲波發(fā)射器的40khz的脈沖信號（主要單片機(jī)是89c2051以及pic），另外一種是基于555定時器和電阻電容組成的電路來設(shè)計實現(xiàn)的，結(jié)合本系統(tǒng)的成本和器件的模塊化設(shè)計，本項目采用了555定時器和電阻電容組成的電路來設(shè)計產(chǎn)生40khz的脈沖信號。為移動機(jī)器人提

33、供的超聲波測距模組的電路原理圖：分為發(fā)射部分和接收部分。（1）超聲波諧振頻率發(fā)生電路、調(diào)理電路圖5 超聲波諧振頻率發(fā)生電路、調(diào)理電路ne555和電容電阻組成的電路產(chǎn)生40khz的方波，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振；而后面的cd4049則對40khz頻率信號進(jìn)行調(diào)理，加大發(fā)射驅(qū)動能力。（2）超聲波回波接收處理電路圖6 超聲波回波接收處理電路超聲波接收處理部分電路前級采用ne5532構(gòu)成1000倍放大器，對接收信號進(jìn)行放大；后級采用lm393比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)整，將正弦波信號整成單片機(jī)所能接受的方波信號，比較電壓為lm393的3管腳處，比較電壓由r12和r13的電阻選擇從而滿足超聲波的測距距離要求

34、。（4）超聲波的盲區(qū)問題及解決方法 超聲波測距是基于tof原理。首先發(fā)射一組聲波脈沖信號，然后一個積分器就開始計算發(fā)射時間。一個返回信號閥值接著就會被設(shè)定來接受回波信號，這個閥值會隨著時間的增加而減小，因為回波會隨著距離的增加而發(fā)散，從而強(qiáng)度變小。但是在剛發(fā)射信號的時候，返回信號的閥值會被設(shè)定的很高以防止發(fā)射波直接觸發(fā)接受器，但是這樣造成一個問題，就是如果檢測的距離很短，在閥值沒有下降之前，返回信號已經(jīng)到達(dá)接收器，這時，接收器會認(rèn)為這個返回信號是剛發(fā)出的信號，從而拒絕接受。超聲波傳感器就會有一個探測盲區(qū)，這樣沒法對近距離物體探測。如圖所示 圖7 超聲波發(fā)射脈沖及一個通道工作時序圖圖7中可見，接

35、收回路中測得的超聲波信號共有兩個波束，第一個波束為余波信號，即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號（一組40khz的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號，并持續(xù)一段時間。另一個波束為有效信號，即經(jīng)過被測物表面反射的回波信號。超聲波測距時，需要測的是開始發(fā)射到接收到信號的時間差，在上圖中就可看出，需要檢測的有效信號為反射物反射的回波信號，故要盡量避免檢測到余波信號，這也是超聲波檢測中存在最小測量盲區(qū)的主要原因。本系統(tǒng)的盲區(qū)約為50cm左右超聲波盲區(qū)的解決方法：在軟件上控制脈沖發(fā)射和檢測超聲波回波信號，即程序采用脈沖測量法，由89s52的p0口控制超聲波模塊中的555定時器發(fā)生40khz的脈沖信號，每次發(fā)射

36、的脈沖數(shù)至少要12個完整的40khz脈沖（程序中為20個左右）。打開555定時器發(fā)射40khz的脈沖信號后，延時0.5ms，關(guān)閉555定時器，延時，等延時到達(dá)一定值后再開啟檢測回波信號，以避免余波信號的干擾。采用外部中斷對回波信號進(jìn)行檢測（回波信號送到單片機(jī)的為一序列方波脈沖）。接收到回波信號后，馬上讀取計數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測量的時間差數(shù)據(jù)。為避免測量數(shù)據(jù)的誤差，程序中對測距數(shù)據(jù)的處理方法是：每進(jìn)行一次測距，利用時基中斷測量4次，即取得4組數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后得到這一次測距值。一般超聲波探測器的頻率為40hz，探測范圍為50cm5m，精度為98%-99.1%,分辨率為1cm。同時超聲波是

37、一個2040度角的面探測，所以可以使用若干個超聲波組成一個超聲波陣列來獲得180度甚至360的探測范圍。 超聲波還有其它幾個缺點(diǎn)，比如交叉感應(yīng)，掃描頻率低，尤其是使用超聲波陣列的時候，還有回波衰減，折射等問題。不過對于移動機(jī)器人來說，超聲波還是目前最廉價和有效的傳感器。2.4.2紅外線避障模塊（1）常用避障電路的實現(xiàn)方法移動機(jī)器人避障電路設(shè)計常用的方法有兩類：一種是超聲波傳感器；另一種是紅外線傳感器。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，但超聲波技術(shù)受干擾影響比較大，無法對近距離物體進(jìn)行測量。采用紅外線技術(shù)設(shè)計避障電路，主要優(yōu)點(diǎn)是廉價，而且，紅外線

38、常用于遙控電路，技術(shù)比較常熟，電路電路設(shè)計也比較簡單，但是，它的避碰距離不是很遠(yuǎn)，一般最遠(yuǎn)也不會超過1m。移動機(jī)器人近距離的避障采用的是紅外線避障電路。（2）紅外線避障電路基本原理采用紅外線技術(shù)設(shè)計避障電路方法一般有兩種，一種是基于紅外線發(fā)射二級管和紅外線接收二級管來設(shè)計；另外一種是基于紅外線發(fā)射二極管以及紅外線接收頭來設(shè)計，兩種方法的最大區(qū)別就在于接收電路，前者主要是要自行設(shè)計出紅外接收二極管的接收電路，而后者用到的紅外接收頭內(nèi)部就是一個接收電路，所以后者就比較簡潔，而且效果比前者要好的多。基于紅外接受頭來設(shè)計避障電路，方法也有很多種，但基本的原理還是統(tǒng)一的。電路基本原理就是由控制紅外發(fā)射二

39、級管發(fā)出38k赫茲左右的方波，當(dāng)有障礙物的時候，紅外接收頭out端口輸出的為低電平，沒有障礙的時候，out端口輸出的為高電平。機(jī)器人可通過識別out數(shù)據(jù)反饋端的高低電平來判斷前方是否有障礙物。該避障電路系統(tǒng)避障能力經(jīng)實驗所得，最大避障距離為50cm左右。而實現(xiàn)方案的不同點(diǎn)主要是信號發(fā)送電路部分，具體的實現(xiàn)方法有很多種：一種是基于微型單片機(jī)來控制紅外發(fā)射二極管發(fā)送38k赫茲的信號（主要單片機(jī)是89c2051以及pic），另外一種是基于555定時器來設(shè)計的。本文就是采用后者來實現(xiàn)的。（3）紅外線避障系統(tǒng)的電路圖實現(xiàn)通過ne555定時器產(chǎn)生38khz的脈沖信號，連接紅外線傳感器的發(fā)射頭，發(fā)送紅外線信

40、號，通過集成的接受頭傳感器來接受紅外線信號，通過電路圖8和電路圖9實現(xiàn)紅外線的發(fā)送接受圖8 紅外線發(fā)射電路 圖9 紅外線接收電路該實物圖幾個功能模塊的簡單介紹：圖8左上角部分包括555定時器、電容、電阻構(gòu)成了一個發(fā)射38k赫茲的方波電路，由555定時器的端口3輸出一個方波，右上角是一塊放大電路圖，由一個三極管來放大紅外發(fā)光管的驅(qū)動電流；其中通過精調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)紅外發(fā)光二級管的電流來控制發(fā)射強(qiáng)度。圖9是紅外線接收頭電路（腳5是返回有無障礙物信號）（4）避障系統(tǒng)所需的元器件紅外發(fā)光二極管8個、紅外接受頭（hs38b）8個、三極管8個（9013）、2k的精調(diào)電位器8個、555定時器一個、3.3nf

41、的電容一個、0.1uf的電容一個、50k的可調(diào)電位器一個、500歐姆的電阻一個、5k電阻8個、4.7uf的電容8個、1k的電阻8個、五芯的插座8個、導(dǎo)線若干。輔助材料hs38b是一種用于紅外遙控接收或其它方面的小型一體化接收頭,中心頻率為38.0khz，它提供一個特殊的紅外濾光器，可以改善自然光的反射干擾.在抗自然光的干擾方面有極好的性能,可防止無用脈沖輸出。其基本的特點(diǎn)如下所示：光電檢測和前置放大器集成在同一封裝上。內(nèi)帶pcm頻率濾波器.對于自然光有較強(qiáng)的抗干擾性。改進(jìn)了對電場干擾的防護(hù)性。電源電壓5v，低功耗。輸出電平兼容ttl，cmos。2.4.3電子碼盤模塊（1）常用行程測量電路的實現(xiàn)

42、方法機(jī)器人小車行程測量電路設(shè)計有常用的兩種方案：方案一：采用開關(guān)式霍爾元件將磁鐵固定在小汽車的車輪上,當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時,磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動,霍爾元件感應(yīng)到磁場的變化時,就會產(chǎn)生通斷效果,使單片機(jī)的定時器t0的輸入端產(chǎn)生高低電平的變化,從而使得t0計數(shù)小汽車車輪轉(zhuǎn)的圈數(shù),假設(shè)為n,并設(shè)車輪的周長為l,通過s=n*l,就可以計算出小汽車在一段時間內(nèi)的行程。這種測量方法的測量數(shù)據(jù)只能是車輪周長的整數(shù)倍，誤差較大。例如：小汽車的車輪半徑為1cm，那么這種測量方法的最小誤差就可達(dá)到6cm。方案二：采用反光式光電傳感器，在小汽車的車輪上制作一個2n等分黑白間隔扇形的圓形碼盤，設(shè)的黑色扇形的個數(shù)為n。在車輪轉(zhuǎn)動時，

43、發(fā)光二極管發(fā)射的光被黑線吸收時，光敏三極管不能導(dǎo)通，光敏三極管的發(fā)射極輸出為低電平，經(jīng)cd40106反相后，單片機(jī)定時器t0的輸入端為高電平。在白色扇形區(qū)域，發(fā)光二極管發(fā)射的光就會被白色扇形區(qū)域反射到光敏三極管上，使光敏三極管導(dǎo)通，此時光敏三極管的發(fā)射極輸出為高電平。在經(jīng)cd40106反相后，單片機(jī)定時器t0的輸入為低電平。單片機(jī)定時器t0就會準(zhǔn)確記錄下這種高低電平的變化的次數(shù)，即通過的白色扇形的個數(shù)。假設(shè)為n, 并設(shè)車輪的周長與方案一的相同也是l，某段時間內(nèi)的行程計算公式為：s=n*l/n，可以看到這種測量方法的最小誤差為方案一的1/n，可較為精確地測量出小車的行程。并且可以進(jìn)行誤差控制，因

44、為黑白扇形的個數(shù)與誤差成反比，要想提高準(zhǔn)確度只要增加黑白扇形的個數(shù)就可以。故本系統(tǒng)采用方案二。（2）光電編碼器原理光電編碼器用來計算小車輪子走過的距離，也有稱之為里程儀、速度計，功能都是一樣的，它是一種二進(jìn)制光電位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相間的條紋，通過光電元件取得角度位置的二進(jìn)制數(shù)字信號，最后進(jìn)行解碼取得角度位置的絕對值或相對值。光電編碼器由光源，碼盤和光電接收器所組成。碼盤是編碼器中的最重要的器件。計算輪子轉(zhuǎn)過的距離就要用機(jī)器人內(nèi)側(cè)的光電編碼器來實現(xiàn)了，在主動輪內(nèi)側(cè)有黑白相間格子的碼盤。碼盤分為n等格（n選擇合適的值，比如16），則輪子每轉(zhuǎn)過16個格子，輪子轉(zhuǎn)一圈。輪子每轉(zhuǎn)一

45、格轉(zhuǎn)過的角度是： 360 / 16 22.5（度）輪子每轉(zhuǎn)一格移動的距離為： step = 輪子周長/16=2*p*r/16 圖10 光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時，紅外光照在黑格上不反射，照在白格上反射，編碼器可以記錄經(jīng)過光電編碼器格子的個數(shù)，從而可以計算出輪子走過的距離。（3）碼盤電路設(shè)計的具體實現(xiàn)圖11 光電傳感器電路圖光電傳感器輸出的電平經(jīng)過cd40106整形成單片機(jī)所能接受的信號，將port接入計數(shù)器就能對光電傳感器的脈沖進(jìn)行計數(shù)。2.4.4電子羅盤模塊（1）電子羅盤的工作原理電子羅盤是通過磁場傳感器中兩個相互垂直軸同時感應(yīng)地球磁場的磁分量，從而得出方位角度。（2）電子羅盤的設(shè)計方案圖是的內(nèi)部

46、結(jié)構(gòu)框圖和引腳排列。圖中，和為翻轉(zhuǎn)線圈，和為補(bǔ)償線圈。由于環(huán)境溫度可能會影響系統(tǒng)精度，因此，在高精度系統(tǒng)中，可以通過補(bǔ)償線圈對其進(jìn)行補(bǔ)償。內(nèi)部有兩個正交的磁場傳感器分別對應(yīng)二維平面的軸和軸。磁場傳感器的原理是利用磁阻（）組成磁式結(jié)構(gòu)，這樣可改變電磁物質(zhì)在外部磁場中的電阻系數(shù)。以便在磁場傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈和上加載翻轉(zhuǎn)電信號后使之能夠產(chǎn)生變化的磁場。由于該變化磁場會造成磁阻變化（）并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動電壓輸出，這樣，就能根據(jù)磁場大小正比于輸出差動電壓的原理，分別讀取對應(yīng)的兩軸信號，然后再進(jìn)行處理計算即可得到偏轉(zhuǎn)角度。圖12 kmz52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖整個電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號調(diào)整單元（）

47、、方向確定單元（）和顯示單元四部分組成。電子指南針的總體設(shè)計框圖如圖12所示。圖中，磁場傳感器用于將地磁場信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出，信號調(diào)整單元用于將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大，并將其轉(zhuǎn)換成合適的信號和，同時消除信號的偏移。對于保證系統(tǒng)的精度來說，是最重要的部件。通過可將信號調(diào)整單元輸出的兩路信號和 進(jìn)行放大，然后再按下式計算出偏轉(zhuǎn)角度：這樣根據(jù)抗干擾技術(shù)算法對進(jìn)行處理就可得出該磁場的偏轉(zhuǎn)角度，最后通過顯示單元進(jìn)行輸出。 圖13 電子羅盤的總體設(shè)計圖2.5通信模塊由于上位機(jī)、電子羅盤模塊的接口是rs-232接口，為了使單片機(jī)，上位機(jī)，電子羅盤之間能相互通信，本系統(tǒng)采用了485總線的半雙工

48、通信方式。rs-485總線介紹及應(yīng)用在自動化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在rs-422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，eia研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的rs-485總線標(biāo)準(zhǔn)。rs-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求： 接收器的輸入電阻rin12k 驅(qū)動器能輸出7v的共模電壓 輸入端的電容50pf 在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個，配置了120的終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出電壓1.5v(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)) 接收器的輸入靈敏度為200mv(即v+-v-0.2v，表示信號0；v+-v-0.2v，表示信號1)

49、因為rs-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得eia rs-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。與rs-232接口相比，rs-485總線的傳輸距離更長、抗干擾能力也更強(qiáng)，這也是工業(yè)系統(tǒng)中使用rs-485總線的主要原因。由于rs-485總線是rs-232總線的改良標(biāo)準(zhǔn)，因此，其軟件方面的設(shè)計與rs-232多機(jī)系統(tǒng)基本上一致，如果不使用rs-485接口芯片提供的接收器、發(fā)送器選通的功能，為rs-232多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的軟件部分完全可以不加修改直接應(yīng)用至rs-485網(wǎng)絡(luò)中，因此，rs-485協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。圖14 rs-485應(yīng)用電路圖主機(jī)與分機(jī)相隔較遠(yuǎn)，

50、而分機(jī)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個時刻完成。如果在此時某個485的de端電位為“1”,那么它的485總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，那就是占用了通信總線，這樣其它的分機(jī)就無法與主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分機(jī)出現(xiàn)異常情況下（死機(jī)），會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計時，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時485的de端電位為“0”。由于80s52在復(fù)位期間，i/o口輸出高電平，故圖14電路的接法有效地解決復(fù)位期間分機(jī)“咬”總線的問題。而在移動機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電或復(fù)位是在同一時刻完成的，不存在“咬”總線的問題，所以在系統(tǒng)中可以省去485與單片機(jī)之間的光耦電路。輸出電路的設(shè)計要充分考慮到路線上

51、的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)場常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在電路設(shè)計中采用穩(wěn)壓管d1、d2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的tvs瞬態(tài)雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片（如sn75lbc184等）。考慮到線路的特殊情況（如某一臺分機(jī)的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響，在485信號輸入端串聯(lián)了兩個20的電阻r10、r11。這樣本機(jī)的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在移動機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，室內(nèi)環(huán)境比較單一，基本不存在485芯片的短路問題，所以以上部分在系統(tǒng)中都可以省去。由于rs-

52、485芯片的特性，接收器的檢查靈敏度為200mv，即差分輸入端va-vb+200mv，輸出邏輯1，va-vb-200mv，輸出邏輯0；而a、b端電位差的絕對值小于200mv信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的方法是人為的使a端電位高于b兩端電位，這樣rxd的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時）呈現(xiàn)唯一的高電平，80s52單片機(jī)就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在485電路的a、b端出端加接上拉、下拉電阻r7、r9，即可很好地解決這個問題。由于移動機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不存在在485總線上所有發(fā)送接受禁止問題，所以不用接上拉、下拉電阻。2.6總體搭建從結(jié)構(gòu)上看，整個系統(tǒng)共分3個部分：1.上位

53、機(jī) 該系統(tǒng)中，上位機(jī)負(fù)責(zé)收集各個節(jié)點(diǎn)的信息，收集數(shù)據(jù)為下一步移動機(jī)器人的數(shù)據(jù)融合提供環(huán)境信息數(shù)據(jù)。該部分由上位機(jī)和max232，max485構(gòu)成，由于上位機(jī)的串口為rs-232標(biāo)準(zhǔn)接口，因此要將上位機(jī)接入485網(wǎng)絡(luò)，需要先通過max232將232電平轉(zhuǎn)換成ttl/cmos電平，再通過max485接入485總線。2.數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集器位于各個傳感器節(jié)點(diǎn)終端。該采集器由單片機(jī)構(gòu)成，其i/o經(jīng)轉(zhuǎn)換與各傳感器設(shè)備相連，來獲取傳感器信息，單片機(jī)串口則經(jīng)max485轉(zhuǎn)換接入rs-485總線上，響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的查詢信息，將傳感器信息回送給上位機(jī)。3.傳感器監(jiān)測端 該部分是移動機(jī)器人外部環(huán)境信號與數(shù)字信號

54、的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，例如可以是超聲波傳感器、紅外線傳感器、光電傳感器等各類傳感器，通過各自的傳感器電路，將外部信號轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)接受的數(shù)字信號（1）超聲波傳感器接口電路單片機(jī)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換器(74hc138)控制八路超聲波信號發(fā)送，八路超聲波信號經(jīng)八選一數(shù)據(jù)選擇器(74ls151)接入單片機(jī)p3.2（外部中斷int0），由于超聲波模塊輸出端在沒超聲波信號反射回來時是高電平，但超聲波模塊接收到超聲波信號時，輸出信號端為低電平，外部中斷int0由于p3.2電平由高到低的跳變時觸發(fā)。而超聲波選通信號為高電平，則當(dāng)選中此一路超聲波發(fā)送時，此路超聲波控制信號為高電平，而其他幾路超聲波控制信號為低電平，因此多路轉(zhuǎn)換

55、器與超聲波模塊之間應(yīng)加一反相器（74hc04）。這樣才能做到超聲波信號的一路路的選通發(fā)送。最后只要將把p0.0口連接74hc138的1腳和74ls151的11腳，p0.1口連接74hc138的2腳和74ls151的10腳，p0.2口連接74hc138的3腳和74ls151的12腳。就可以分別將超聲波模塊發(fā)送通道與接收通道一一對應(yīng)選通，分別采集到八路超聲波數(shù)據(jù)。圖15超聲波模塊接口電路（2）紅外線傳感器接口電路八路紅外線傳感器電路和單片機(jī)接口電路設(shè)計思路：紅外線發(fā)送是由555產(chǎn)生，相比起來，發(fā)射電路是孤立的，所以與單片機(jī)接口是紅外線傳感器的接受部分。紅外線接受部分電路的具體實現(xiàn)：紅外線避障模塊在

56、前方?jīng)]障礙物時，輸出為高電平，前方一有能測到的障礙物時，輸出則為低電平，對紅外線避障模塊的信號查詢可以用單片機(jī)中斷完成，由于有八路紅外線避障模塊，單片機(jī)沒有這么多的中斷源，所以本系統(tǒng)采用多個輸入信號共用一個中斷源，需要增加相應(yīng)的元件cd4068，當(dāng)它們請求中斷服務(wù)時，把信號線電平置低。當(dāng)中斷服務(wù)程序完成之后再把信號線置高，用與門把這八個信號連起來，再把輸出接到int1，為了讓單片機(jī)分辨出中斷請求來自哪路紅外線避障模塊，分別把這八個信號接到單片機(jī)輸入端口的引腳上，如圖16，只要查詢相應(yīng)的輸入端引腳電平就可以知道哪個方向的紅外線避障模塊接收到障礙物信號。 圖16 紅外線模塊接口電路（3）電子碼盤的

57、接口電路光電傳感器經(jīng)cd40106整形成一個個脈沖信號以后，輸入脈沖計數(shù)器cd4520，cd4520的輸入脈沖的clock口和輸出口q1、q2、q3、q4關(guān)系如圖17。 圖17 cd40106的時序圖計數(shù)器cd4520中有兩個脈沖計數(shù)器，分別為左右輪的光電傳感器輸出脈沖計數(shù)，數(shù)值在q1、q2、q3、q4口上以二進(jìn)制形式表達(dá)，利用單片機(jī)i/o對q1、q2、q3、q4口查詢，讀入q1、q2、q3、q4的數(shù)值，用程序的方法計算脈沖數(shù)。將cd4520的clr口接單片機(jī)i/o口p0.7，實現(xiàn)計數(shù)器cd4520的清零工作。光電傳感器與單片機(jī)接口電路的具體實現(xiàn)如圖 圖18 電子碼盤的接口電路（4）通信模塊接口由于arm和電子羅盤是rs-232接口，存在著rs-232和ttl/cmos電平轉(zhuǎn)換問題，