超声波测距

上海电机学院测控技术与仪器1超声测距的移动机器人路径导航摘要随着机器人技术的不断发展，自主移动机器人正越来越成为研究的热点。导航技术是其研究核心，而路径规划又是移动机器人导航中最重要的任务之一。基于超声波测距的自主移动机器人路径规划是移动机器人技术中的一项重要研究课题。本文对基于超声波测距的自主移动机器人路径规划问题进行了较为深入的探讨和分析。首先。对自主移动机器人的发展状况，以及移动机器人导航技术和路径规划技术的国内外发展现状进行了综述。然后介绍了超声波测距原理，讨论了超声波测距系统应用于导航技术的优势。重点探讨了基于超声波测距的自主移动机器人路径规划技术，采用栅格法进行环境建模，运用了一种称作沿边走的算法进行了路径规划。最后分析了现有方案的优缺点，展望了机器人路径规划技术的未来发展趋势和研究方向。关键字：自主移动机器人；超声波；路径规划上海电机学院测控技术与仪器2目录第一章绪论-------------------------------------------------------------------------------------51.1论文背景和意义------------------------------------------------------------------------51.2国内外研究现状------------------------------------------------------------------------61.2.1自主移动机器人导航技术现状----------------------------------------------61.2.2自主移动机器人路径规划技术现状----------------------------------------71.3本论文的主要内容----------------------------------------------------------------------9第二章超声波测距技术---------------------------------------------------------------------102.1移动机器人中的测距技术-----------------------------------------------------------102.1.1无源测距技术------------------------------------------------------------------102.1.2有源测距技术------------------------------------------------------------------102.2测距传感器的选择性分析-----------------------------------------------------------122.3超声波测距-----------------------------------------------------------------------------132.3.1超声波发生器------------------------------------------------------------------132.3.2压电式超声波发生器原理---------------------------------------------------142.3.3超声波测距原理---------------------------------------------------------------142.4本章小结--------------------------------------------------------------------------------15第三章环境建模------------------------------------------------------------------------------163.1栅格法简介-----------------------------------------------------------------------------163.2栅格法建模-----------------------------------------------------------------------------173.3基于超声波传感器测距的栅格化方法--------------------------------------------173.4本章小结--------------------------------------------------------------------------------18第四章基于超声波测距的沿边走路径规划的导航算法------------------------------194.1坐标系的建立--------------------------------------------------------------------------194.2基于超声波测距的沿边走路径规划机器人的导航算法-----------------------204.2.1沿边走算法简介---------------------------------------------------------------204.2.2沿边走过程---------------------------------------------------------------------214.3沿边走路径规划流程图--------------------------------------------------------------234.4本章小结--------------------------------------------------------------------------------24上海电机学院测控技术与仪器3第五章结果分析------------------------------------------------------------------------------255.1仿真结果---------------------------------------------------------------------------------255.2结果分析--------------------------------------------------------------------------------265.3本章小结--------------------------------------------------------------------------------26第六章现有方案缺陷及路径规划技术的发展趋势------------------------------------27第七章结论------------------------------------------------------------------------------------29参考文献----------------------------------------------------------------------------------------30致谢----------------------------------------------------------------------------------------------31附录----------------------------------------------------------------------------------------------32上海电机学院测控技术与仪器4第一章绪论1.1论文背景和意义自1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，经过40余年的发展，机器人技术以及应用都已取得非常大的进步。可以说机器人的出现，是20世纪人类最伟大的发明之一。科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”[1]。随着机器人的应用越来越广泛，人们对机器人技术智能化本质的认识也在不断加深，机器人技术开始向人类活动的各个领域渗透。于是出现了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。机器人技术在不断发展，人们对机器人在社会服务、野外作业以及在有害、危险环境作业中的应用也越来越重视。研究能够在复杂环境中自主运动和自动作业的智能自主移动机器人势在必行。移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究始于20世纪60年代。移动机器人由于具有更大的使用灵活性已成为目前机器人技术研究的一个热点。近年来，移动机器人技术在工业、农业、航天及空间探测等许多领域都起到了重要的作用，显示了广泛的应用前景[2]。自主式移动机器人具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中工作。自主式移动机器人的目标是在没有人的干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下，有目的地移动和完成相应任务。在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。而路径规划又是移动机器人导航中最重要的任务之一。基于超声波测距的自主移动机器人路径规划正是机器人智能控制技术中的一项重要课题。1.2国内外研究现状机器人技术是一门综合性的学科。世界各地的专家学者都在不断致力于机器人技术的研究，尤其是移动机器人的导航和路径规划技术方面，已经取得了相当上海电机学院测控技术与仪器5多的研究成果。1.2.1自主移动机器人导航技术现状导航是移动机器人应具备的基本功能，是移动机器人实现智能化及完全自主工作的关键技术之一。理想的移动机器人应具有以下能力：当处于一个未知的、复杂的、动态的非结构环境中，并且在没有人的干预下，通过感知环境，能够到达期望的目的地，同时应尽量减少时间或能量的消耗等。正是由于有了导航装置，移动机器人在行走过程中才能确定行动的方向，才不会与障碍物发生碰撞。移动机器人常见的导航方式有磁导航、惯性导航、激光导航、视觉导航等。地下埋线的导航方式是20世纪50年代美国开发的，到20世纪70年代这种导航方式迅速发展并应用于柔性生产。目前，国内制造行业使用的移动机器人大多还是基于这种导航方式。该导航方式的技术已十分成熟，但其成本高，改造和维护困难。就国内研究现状来看，以上几种导航方式均在研究之中，而磁导航方式的技术已相当成熟。中国科学院沈阳自动化研究所已生产出基于磁导航的多代机器人产品。其他导航方式的机器人也在研究之中，如：清华大学已研制的三代THMR移动机器人，上海大学的“导购机器人”、哈尔滨工业大学研制的“导游机器人”和正在开发的各种服务机器人。诸多研究表明：视觉导航方式具有信号探测范围宽、获取信息完整等优点，将成为未来机器人导航的一个主要发展方向。在视觉导航方式中，目前国内外应用最多的还是采用在机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的导航方式，如：D.L.Boley[3]等研制的移动机器人利用车载摄像机和较少的传感器通过识别路标进行导航，比直接采用卡尔曼滤波器获得了更好的实时性，并有效抑制了噪声；A.Ohya[4]等利用车载摄像机和超声波传感器研究了基于视觉导航系统中的避碰问题；P.I.Corke[5]等对由车载摄像机构成的移动机器人视觉闭环系统的研究表明，这种控制方法对提高路径跟踪精