目的： 本毕业设计是红外蔽障小车的设计，通过设计使学生系统的熟悉和掌握单片机控制系统设计方面的内容体系、开发流程和程序设计，培养学生具有综合运用所学的理论知识去开拓创新及解决实际问题的能力。培养学生掌握设计题的思想和方法，树立严肃认真的工作作风、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。同时是为了掌握电路设计的方法和技巧。如何将学习到的理论知识运用到实际当中去，怎样能够活学活用，深入的了解电子元器件的使用方法，了解各种元器件的基本用途和方法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计电路，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，完成基本的要求。并能完美的完成这次实训。 目录 一、任务书...............................P1 二、引言..............................P2 二、要求与发挥...........................P4 三、设计摘要.............................P6 四、模块方案比较.......................P7 1.避障模块 2.驱动模块
3.控制模块 五、程序设计.........................P9 1.程序流程图 2.程序编写 六、工作原理.........................P13 七、结论............................P13 八、参考文献........................P14 九、毕业设计（论文）成绩评定表.....P15 任务： 利用单片机、红外实现避障，要求具有下述功能： 1.小车前进可以避开（前、左、右）20cm的障碍物； 2.实现下车前进时，不碰障碍物； 3.具有声音播报功能。 引言 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A/D转换器、D/A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 设计题目：超声波避障小车 院系：电气学院自动化测试与控制系 班级： 设计者： 学号： 指导教师：周庆东 设计时间：9.2~9.13 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学课程设计任务书
*注：此任务书由课程设计指导教师填
开题报告 1立项依据 1.1立项目的 （1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。 （2）进一步学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。 （3）掌握单片机系统外扩器件的连接与使用，了解超声波传感器的工作原理。 （4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。 1.2立项意义 在当今社会，汽车成为了越来越普遍，人们不可缺少的交通工具。但汽车的不断增加，随之而来就是越来越多的交通事故。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。所以随着汽车工业的快速发展，我们必须加强对汽车安全性能的考虑。所以，智能汽车概念应运而生，他既是汽车产业的机遇也是汽车产业的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。 超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。 2主要设计内容及方案 2.1总体方案 系统采用51单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制,在超声波检测到障碍物之后,主控芯片根据距离值控制直流电机的转动,在与障碍物距离较大的情况下，快速前进，在与障碍物距离较小但还未到达临界转弯方向值的时候，慢速前进。在与障碍物距离很近需要转向避障时，方案上将尝试进行转向，来进行避障。 2.2设计原理 该智能车系统可分为三个主要模块：单片机主控核心模块，传感器避障模块，电机驱动模块。系统主要原理是：通过超声波避障模块（即感测模块）实时监测路面情况并及时传输给单片机。由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作状态。电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进或者左、右转。
一、实验原理： 避障传感器基本原理,和循迹传感器工作原理基本相同,利用物体地反射性质.在一定范围内,如果没有障碍物,发射出去地红外线,因为传播距离越远而逐渐减弱,最后消失.如果有障碍物,红外线遇到障碍物,被反射到达传感器接收头.传感器检测到这一信号,就可以确认正前方有障碍物,并送给单片机,单片机进行一系列地处理分析,协调小车两轮工作,完成一个漂亮地躲避障碍物动作,传感器原理图如图6. 图6 红外避障传感器原理图 1、把红外避障传感器固定在小车地正前方,接好线.注意：红外传感器地避障距离也是可调,调节滑动变阻器可以调节避障距离. 2、编制程序,实现小车检测到前方有障碍物时,向左转弯,再检测,没有障碍物,继续前进,有障碍物,继续左转弯.
图7 避障传感器与单片机连接图 四、红外避障传感器电路分析： 电路中HEF4011BT是一个4通道2输入与非门.455是晶振,它产生38k地方波,HEF4024BT是7位二进制计数器,38k地方波作为计数器HEF4024BT地时钟输入.HEF4024BT地O2与O3接与非门加一个非门去控制HEF4024BT地复位端.也就是说当HEF4024BT计数到第四位与第三位同时为1时,HEF4024BT就会被清零.同时当HEF4024BT地O3为1时,HEF4011BT地O4为低电平,触发红外发光二极管发送信号.当HEF4024BT地O3为0时,HEF4011BT地O4为高电平,关闭发光二极管,这段时间为4个方波周期.也就实现了38k载波调制地红外.接收头是红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出地模块.当收到信号时,OUT端输出低电平,LEDR被点亮,指示收到信号,前方有障碍物.没有收到信号,OUT端输出反之. 五、实验源程序： #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define MOTOR_C P0 //P0口作为电机地控制口. #define SIGNAL P1 //P2口地低两位为循迹传感器输入口. #define SHELVES 25 //速度总档数. #define BACK 0xA5 //后退 #define FORWARD 0xC6 //前进 sbit PWM_R = P0^7; //右电机PWM输入口 sbit PWM_L = P0^2; //左电机PWM输入口 void timer_init( void ); //定时器初始化函数.
#include { TX=1; delay(2); TX=0; } void main() { unsigned char i; unsigned int a; TMOD=0x10; EA=1; TH1=0; TL1=0; ET1=1; while(1) { RX=1; StartModule(); for(a=951;a>0;a--) { if(RX==1) { Timer_Count(); } } } } 激光雷达高速数据采集系统解决方案 0、引言 1、 当雷达探测到目标后, 可从回波中提取有关信息，如实现对目标的距离和空间角度定位,并由其距离和角度随时间变化的规律中得到目标位置的变化率，由此对目标实现跟踪; 雷达的测量如果能在一维或多维上有足够的分辨力, 则可得到目标尺寸和形状的信息; 采用不同的极化方法，可测量目标形状的对称性。雷达还可测定目标的表面粗糙度及介电特性等。接下来坤驰科技将为您具体介绍一下激光雷达在数据采集方面的研究。 1、雷达原理 目标标记： 目标在空间、陆地或海面上的位置, 可以用多种坐标系来表示。在雷达应用中, 测定目标坐标常采用极(球)坐标系统, 如图1.1所示。图中, 空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定: 1、目标的斜距R； 2、方位角α；仰角β。 如需要知道目标的高度和水平距离, 那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中, 目标的位置由以下三个坐标来确定: 水平距离D，方位角α，高度H。 图1.1 用极(球)坐标系统表示目标位置 系统原理： 由雷达发射机产生的电磁能, 经收发开关后传输给天线, 再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速传播, 如果目标恰好位于定向天线的波束内, 则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射, 其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后, 就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息, 并将结果送至终端显示。 图1.2 雷达系统原理图 测量方法 1）.目标斜距的测量 雷达工作时, 发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在, 那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间, 它将滞后于发射脉冲一个时间tr, 如图1.3所示。 我们知道电磁波的能量是以光速传播的, 设目标的距离为 R, 则传播的距离等于光速乘上时间间隔, 即2R=ct r 或 2 r ct R 红外避障传感器介绍（反射型）日期:2006-5-16 14:05:14 来源: 点击: 1572 添加到收藏夹 实图： 技术指标： 主体外形尺寸：23×15.3×15.1mm(长×宽×高) 重量：7g 额定电压：直流电源5.0V 检测范围（反射面为白色木板）：1~ 40cm（挡板为白色时检测距离在40cm时达到临界点，超过此数值后检测效果变差） 调节方式：多圈电阻式调节，逆时针方向旋转功率变小，顺时针方向旋转功率变大 返回值：有信号（高电平）返回值为“1”，无信号（低电平）返回值为“0” 状态指示方式：检测到信号指示灯亮红灯，无信号不亮 安装方式：单颗?3螺丝安装 线长：17.4cm±0.2cm（有效距离） 连接方式：单条3芯排线，2510型3脚插头 有效角度：30 左右 原理与功能 红外避障传感器（以下简称红外）。红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接 应用介绍： 红外是通过发射端发射红外信号，接收端接收由障碍物反射回来的红外信号，来判断是否有障碍物。 项目应用 红外避障传感器在很多项目中都有使用。 在初中灭火、高中搜救项目中，机器人可以通过红外避障传感器走迷宫； 在轨迹项目中，机器人可以通过黑、白色对红外线的反射和吸收值不同而用红外避障传感器来识别黑色的轨迹线。 注意事项： 1、红外是数字传感器，红外接收管只有在接收到一定强度的红外信号时才会有数值的变化。障碍物（反射面）太小时，红外会检测不到；障碍物（反射面）颜色为黑色或深色时，会被吸收大部分的红外信号，而只反射回一小部分，导致红外接收管接收到的红外信号强度不够，不足以产生有障碍物（反射面）的信号。 2、红外在暖光源的照射下（如白炽灯、太阳光）检测受到很大影响，它会受到所有相近红外信号的干扰，白炽灯和太阳光中含有红外信号成分较多，对红外的影响也较大。红外相互之间也存在干扰，因而在使用时需要注意。 3、红外采用的是发射、接收原理，不同反射面对红外信号的吸收与散射，将影响其检测范围，根据测试红色的反射面效果最佳，白色其次，黑色最差；同时反射面的粗糙度和平整度也会影响检测的效果。 超声波避障传感器在AGV行业中的应用 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 近年来微机技术、人工智能和传感测控技术的飞速发展使得AGV也更加智能化，人性化，使AGV 朝着智能机器人的方向提升。一个功能完善的AGV系统通常由3大部分组成：行走机构、传感系统和控制系统。行走机构是AGV实现运动的基础，决定AGV的运动空间和自由。传感系统决定其导航方式，主流使用激光传感器、超声波传感器、光电传感器、磁传感器、CCD摄像机、红外传感器或者GPS定位。目前在部分已知或未知的环境中运行稳定同时又要求自主执行任务时，AGV 必须要有足够的安全保证，用传感器感知外界环境、分析外界条件，然后通过适当的方式来理解环境，对于工作在复杂或非常规化环境中的自主式AGV，要进一步提高其自主判断能力，依靠自身模式识别及障碍物识别，实现正常工作。对AGV的智能化有很重要的意义。 避障是指移动机器人在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点。 不管是要进行导航规划还是避障，感知周边环境信息是第一步。就避障来说，AGV行业安全首要考虑，AGV防撞避障可分为两类设计：一是接触式设计，起到防撞保护作用，常用接触类传感器 （如压电传感器，机械式开关等）安装在车体的底部，检测外围非接触式传感器（红外线，超声波，激光等）探测死角，起到缓冲保护作用；二是非接触式设计，起到避障作用，常用非接触类传感器安装在车体稍高正前方和正后方部位，用于车辆前进或者后退时起到避开障碍作用。目前避障使用的传感器多种多样，各有不同的原理和特点，下面我们具体来了解一下超声波传感器在AGV避障中的作用。 目前大面积识别障碍物是超声波传感器在移动应用中的常见任务。物体和人员都可以被识别，从而采取停车或绕过障碍物等动作，保证设备及人员安全。同时，超声波传感器可以实时测量距离，持续监控接近过程，因此在AGV到广泛应用。在防撞应用中超声波传感器防撞的原理是利用超声波遇到障碍物能反射的特性，根据超声波发射与接收的往返时间及声速检测与障碍物的距离，防止与障碍物碰撞。因为超声波发射出来波束是一定的范围空间发射出去的，所以超声波防撞弥补了激光防撞只有水平面防撞的弊端，使得激光无轨导航叉车防撞更全面安全。由于超声波在空气中的速度与温湿度有关，在比较精确的测量中，需把温湿度的变化和其它因素考虑进去。 更多相关内容，就在深圳机械展！ 红外避障传感器测试结果 一、传感器原理 传感器主动发射红外线，根据反射光探测，类似雷达，如果探测到障碍，传感器的OUT 脚输出0，否则1。 二、测试目的 测试传感器的各项性能是否满项目的测量要求。此传感器在项目设计中是用于测量纸卷厚度的，当纸卷剩余不多的时候需要传感器预报，因此对精度要求小于2mm 。 三、测试内容及方法 1）传感器精度测试 测试中传感器测量距离保持不变，移动被测物体（障碍物），由近及远，直到传感器输出的电平发生变化（由0变到1），停止移动，测量此时被测物体与传感器的距离，重复多次；移动被测物体由远及近，直到传感器输出的电平发生变化（由1变到0），停止移动，测量此时被测物体与传感器的距离，重复多次。 2）回滞性测试 传感器距离设定不变，由于精度等原因，传感器测得的距离是在一定范围变化的，因此具有回滞特性。 表1是根据以上所述的测试方法测得的结果。图1是根据表1绘制的回滞特性曲线。 表1 测试结果 四、测试总结 从表1的数据可以看出，传感器在设定距离不变的情况下，由近及远的误差电平 图1 红外避障传感器的回滞曲线 mm 为3.28mm，由远及近的误差为4.18mm，在设定距离总的误差为6.06mm。因此不符合我们的要求。 同时在测试中发现，传感器在测定距离的电平是动态变化的。理想情况下，障碍物由近及远，传感器输出的电平应该是由0变到1，障碍物由远及近，传感器输出的电平由1变到0。但是在实际测试中，障碍物移动到传感器电平发生变化的距离后，电平还是在变化，而且不规律。波形如图2所示。这是不符合我们要求的。 图2 示波器测得的传感器电平变化 五、测试结论 传感器不符合项目要求。 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书(论文) 作 者 : 薛玉洁 号： 6 教 学点 : 工业职业技术学院 专 业 : 电子工程 题 目 : 超声波在小车避障技术的应用设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 倪瑛 副教授 副教授 戴娟 2013 年 5 月 毕业设计说明书（论文）中文摘要 毕业设计说明书（论文）外文摘要 目次 1 引言 (1) 1.1 研究背景与意义 (1) 2 超声波的避障技术 (4) 2.1 小车的避障技术 (4) 2.2 超声波的传播特性 (5) 2.3 超声波测距技术 (5) 2.4 基于单片机的超声波测距系统 (6) 2.5 超声波的衰减 (6) 3 超声波避障系统硬件设计 (8) 3.1 方案概述 (8) 3.2 方案设计 (8) 3.3 元器件介绍 (9) 3.4 超声波发射系统电路 (16) 3.5 超声波接收系统电路 (16) 3.6 相关软件、电路模块和器件清单。 (17) 4 超声波避障系统的软件设计 (19) 4.1 直流电机控制软件设计 (19) 4.2 超声波测距模块软件设计 (19) 4.3 超声波避障技术软件设计 (21) 4.4 软件与硬件的整合软件与硬件的整合 (22) 5 超声波避障系统调试 (23) 5.1 调试过程 (23) 5.2 问题分析 (26) 5.3 误差分析 (26) 致 (29) 参考文献 (30) 1 引言 1.1 研究背景与意义 随着机器人技术的发展,自主移动机器人以其活性和智能性等特点,在人们的生产、生活中的应用来越广泛。自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。而在多种探测手段中, 超声波传感器系统由于具有成本低, 安装方便, 不易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响，时间信息直观等特点, 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力, 因此在移动机器人领域有着广泛用。 本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。 智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。 超声波测距与避障系统包括硬件及软件两个部分。硬件开发基STC89S52微控制器，集成了传感器电路、信号处理电路、微控制器外围电路及电源电路等；软件设计主要包括测距算法设计和避障算法设计。其中，避障算法由单传感器避障策略、多传感器精确避障策略以及多传感器模糊避障策略组成。 避障常用哪些传感器?几种传感器的基本工作原理 导读 避障是指移动机器人在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点。 避障常用哪些传感器 不管是要进行导航规划还是避障，感知周边环境信息是第一步。就避障来说，移动机器人需要通过传感器实时获取自身周围障碍物信息，包括尺寸、形状和位置等信息。避障使用的传感器多种多样，各有不同的原理和特点，目前常见的主要有视觉传感器、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。下面我简单介绍一下这几种传感器的基本工作原理。超声波 超声波传感器的基本原理是测量超声波的飞行时间，通过d=vt/2测量距离，其中d是距离，v是声速，t是飞行时间。由于超声波在空气中的速度与温湿度有关，在比较精确的测量中，需把温湿度的变化和其它因素考虑进去。 上面这个图就是超声波传感器信号的一个示意。通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包，系统检测高于某阈值的反向声波，检测到后使用测量到的飞行时间计算距离。超声波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离都在几米，但是会有一个几十毫米左右的最小探测盲区。由于超声传感器的成本低、实现方法简单、技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。超声波传感器也有一些缺点，首先看下面这个图。 因为声音是锥形传播的，所以我们实际测到的距离并不是一个点，而是某个锥形角度范围内最近物体的距离。 另外，超声波的测量周期较长，比如3米左右的物体，声波传输这么远的距离需要约20ms 的时间。再者，不同材料对声波的反射或者吸引是不相同的，还有多个超声传感器之间有 移动机器人的多传感器测距系统设计 一、引言 在自主移动机器人的实时避障和路径规划过程中，机器人须依赖于外部环境信息的获取，感知障碍物的存在，测量障碍物的距离。目前，机器人避障和测距传感器有红外、超声波、激光及视觉传感器。激光传感器和视觉传感器价格贵，对控制器的要求较高，因而，在移动机器人系统中多采用红外及超声波传感器。 多数系统采用单一传感器进行信息采集，但超声波传感器因为存在测量盲区的问题，测距范围一般在30～300cm之间；而红外测距传感器的探测距离较短，一般在几十厘米之内，它可以在一定程度上弥补超声波传感器近距离无法测量的缺点。因而，本系统采用多路红外和超声波传感器进行距离信息的测量和采集。 二、测距原理及方法 （一）超声波传感器 超声波是指谐振频率高于20 Hz的声波，频率越高反射能力越强。超声波传感器价格低廉，其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰的影响，并且，金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因而，可以用来探测物体。超声波测距的方法为回声探测法，发射换能器不断发射声脉冲，声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收，根据声速及时间差计算出障碍物的距离。距离与声速、时间的关系表示为 式中：s为与障碍物间的距离，m; c为声速，m/s；t为第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差，s。 c与温度有关，空气中声速与温度的关系可表示为 式中c为声速，m/s;θ为环境温度，℃。 （二）提高超声波测距精度的方法 1．采用合适的频率和波长：使用超声波传感器测距，频率取得太低;外界杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。并且，超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降、有试验表明：使用40 kHz的超声波，发射脉冲群含有10-20个脉冲，具有较好的传播性能。 2．提高系统的计时精度也可提高超声波的测距精度，计时器的计数频率越高，则由于时间的量化误差所引起的测距误差就越小。 3．对系统电路的时间延迟进行补偿可以减小测距误差，提高测距精度。延迟时间 式中△t为延迟时间，s;s1,s2为2个已知的测量距离，m；t1，t2为对应的测量时间，s。 （三）红外避障传感器 红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。 红外传感器的的测距基本原理为发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，它的原理是接收管接收的光强随反射物体的距离而变化的，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。 目前，使用较多的一种传感器-红外光电开关，它的发射频率一般为38 kHz左右，探测距离一般比较短，通常被用作近距离障碍目标的识别。本系统采用的即为此种传感器。 （四）红外测距的缺陷 二．红外避障传感器避障传感器主要包括：超声波避障传感器，红外避障传感器，激光避障传感器等等。1.可以希望在相当短的时间内获得较多的红外传感器测量值以及测距范考虑到发射光线是光，30cm以内，所以我们选择红外避障传感器安装在机器人上。围较近，大致为 2.红外避障传感器的优点： 1）环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；（2）被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；（）靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装（3 目标的能力优于可见光；）红外系统的体积小、质量轻、功耗低；（4 ）不受电磁波的干扰、非噪声源、可实现非接触性测量。（5 红外避障传感器的不足： 3. 周围的光线都能导方向、由于传感器测量光的差异，其受环境的影响非常大，物体的颜色、致较大的测量误差。工作原理： 4. ）红外避障传感器：（1接收管接收这发射管发射一定频率的红外信号，具有一对红外信号发射与接收二极管，红外信号反射回来被接当传感器的检测方向遇到障碍物（反射面）时，种频率的红外信号，机器人即可利用红外波经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，收管接收，的返回信号来识别周围环境的变化。光学系统按结构不同可分为透射式红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。热敏元件应用最和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。通过转换电路变成热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，多的是热敏电阻。电信号输出。）热敏检测元件（2 热阻效应：物质的电阻率随温度变化的物理现象叫热阻效应。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即）t0]Rt=Rt0[1+α（t-为温度系α（通常t0=0℃）时对应电阻值；Rt0Rt式中，为温度t时的阻值；为温度t0 数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t 取决于半导体材料的结构的常数。B、A时的阻值；t为温度为Rt式中 （3）光电检测元件 光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，分为外光电效应和内光电效应。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/bf1608225.html, 移动机器人超声波测距避障系统设计 作者：李恒徐小力左云波 来源：《现代电子技术》2014年第03期 摘要：测距避障是移动机器人适应未知复杂环境的能力之一，准确测出移动机器人和障碍物之间的距离是关键。以dsPIC33FJ256MC710单片机为核心研究设计了一种移动机器人超声波测距避障系统。该系统利用脉冲回波法测距，针对超声波在空气中的传播速度受环境温度的影响，设计了超声波速度温度补偿电路。实验结果表明该超声波测距避障系统测量数据准确，能够满足移动机器人在复杂环境中避障的需求。 关键词：移动机器人；测距避障；超声波；硬件电路 中图分类号： TN710?34； TP73 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014） 03?0157?03 Design of obstacle avoidance system with ultrasonic ranging based on mobile robot LI Heng， XU Xiao?li， ZUO Yun?bo （Ministry of Education Key Laboratory of Modern Measurement & Control Technology，Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China） Abstract：Obstacle avoidance with ranging is one of robot′s competencies in adapting to unknown complex environment. It is very important to measure the distance between the robot and the obstacles accurately. An obstacle avoidance system with ultrasonic ranging by mobile robot is designed with dsPIC33FJ256MC710 as the core. The distance between the robot and the obstacles is measured with pulse echo method. Ultrasonic velocity temperature compensation circuit is designed for ultrasonic velocity changes as the ambient temperature. Experimental results show that the system ranging accurately and is able to meet the requirement of obstacle avoidance for mobile robot in complex environments. Keywords： mobile robot； obstacle avoidance by ranging； ultrasonic； hardware circuit 0 引言 在某些特种环境，如反恐排爆、灾难救援等现场，特种机器人被广泛地用于代替人类执行信息获取、搜索救援、环境检测等工作。作业环境的复杂多变，要求特种机器人有较好的环境适应能力，能够在未知或者部分未知的环境中通过传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸，位置和距离等信息，并使机器人找到一条无碰撞最优路线[1]。移动机器人测距避障的传 激光雷达技术课程报告 课程名称：激光雷达技术 班级：113121 姓名：张栋 学号：20121003790 专业：遥感科学与技术 日期: 2015 年1 月14 日 激光雷达在汽车产业和公路交通中的应用研究意义： 1.有效提高汽车的安全性能： 为保障汽车驾驶时的舒适性和安全性，世界各国对汽车防撞技术的研究和发展投入了大量的人力、物力和财力。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30％，路面相关事故的50％，迎面撞车事故的60％，所以现代汽车安装各类雷达系统以保障行车安全。[1] 2.检测车身零部件的精度： 激光雷达的检测系统是有着诸多优点,其中包括高精度、适用能力强以及较高的可靠性,才能够飞速的发展。激光雷达的检测技术在汽车产业中可适用的项目种类较多。激光雷达系统能够用来测量较复杂位置的尺寸。例如可以测量汽车的凸轮轴、曲轴以及阀座等零部件的长度、直线度、垂直度和密度等。这些尺寸的分辨率可达到,重复的精度可达到0.2;am。 3.通过逆向设计，节约汽车生产成本： 激光雷达扫描系统的快速成型技术主要应用于样件汽车模型的制作和模具的幵发,这项技术能够较大的缩短新产品的幵发周期,降低了开发的成本,并且能够使新产品的市场竞争力得到了提高。还能够应用在汽车的零部件上,多用于分析和检验加工的工艺性能、装配性能、相关的工装模具以及测试运动特性、风洞实验和表达有限元分析结果的实体等。利用激光雷达的非接触式测量、高精度、检测速度快等特点,在汽车车身的三维检测和幵发设计过程中,激光雷达得到了广泛的应用。利用激光雷达测量得到车身的点云数据,对车身进行逆向设计,将点云数据进行预处理,然后进行曲线、曲面、实体模型的重构,最终实现车身模型重现的目的。[2] 研究现状： 一、车载激光雷达的发展历史： 20世纪60年代，以欧美和日本为代表的一些在汽车行业领先的发达国家进行研究汽车防撞雷达。由于当时技术水平的限制，加上汽车主动防御没被完全重视的原因，尽管掀起的这股研究高潮中各个研究机构和汽车制造商合作并有了一些成果，局限于微波理论和硬件的技术水平和硬件系统的成本问题，雷达很难做到结构简单、体积轻巧和价格低廉。加上车载雷达工作的环境恶劣、干扰因素较多，当时的防撞雷达研究并不很理想。 红外避障传感器 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】 二．红外避障传感器 1.避障传感器主要包括：超声波避障传感器，红外避障传感器，激光避障传感器等等。考虑到发射光线是光，可以希望在相当短的时间内获得较多的红外传感器测量值以及测距范围较近，大致为30cm以内，所以我们选择红外避障传感器安装在机器人上。 2.红外避障传感器的优点： （1）环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光； （2）被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰； （3）靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光； （4）红外系统的体积小、质量轻、功耗低； （5）不受电磁波的干扰、非噪声源、可实现非接触性测量。 3. 红外避障传感器的不足： 由于传感器测量光的差异，其受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都能导致较大的测量误差。 4.工作原理： （1）红外避障传感器： 具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当传感器的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。 （2）热敏检测元件 热阻效应：物质的电阻率随温度变化的物理现象叫热阻效应。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 Rt=Rt0[1+α（t-t0）] 式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 Rt=AeB/t 式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。 （3）光电检测元件 光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，分为外光电效应和内光电效应。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 （4）红外发射二极管的选择 传感器电路设计 清洁机器人上安装有多种传感器：各种红外传感器、碰撞传感器和霍尔速度传感器。这些传感器协调工作，保证了机器人对外界环境和自身运动状态的判断。 传感器布局 传感器网络共有4个周边红外传感器、3 个底盘红外传感器、2 个调频红外传感器、2 个碰撞传感器、2 个霍尔转速传感器以及1个电机过流传感器、1 个充电电源检测传感器、1 个电池充满传感器和一个A D。其布局如图3-7 所示。 图3-7 传感器布局 红外线避障传感器电路设计 避障传感器的基本原理是利用物体的反射性质。因为在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。而如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器的接收头。传感器检测到这一信号就可以确认正前方有障碍物，并传送给单片机，单片机通过输入内部的算法，协调小车两轮工作，从而完成躲避障碍物的动作。 通过比较，本系统中选用E18--D80NK-N红外避障传感器。E18-D80NK-N是E18-D80NK的升级版。改动部分主要是内部电路板和外部连线。传感器外部接线，在末端增加了杜邦头，方便用户使用。E18-D80NK-N这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问 题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。E18--D80NK-N的工作电压为5V，工作电流为10--15mA，驱动电流为100mA,探测距离为3--80cm。E18--D80NK-N也是一个数字传感，其为NPN型光电开关，输出状态是0和1，即数字电路中的低电平和高电平；检测到目标是高电平输出，正常状态是低电平输出。此时可以通过旋转传感器后面的按钮，改变传感器可以测量的距离，比如可以通过调节旋钮，使它测5cm距离以内是否有障碍物，如果5cm以内有物体则返回一个高电平，同时传感器里面的绿色小灯被点亮。本系统需要可以测得距离是否有变化的传感器，所以该传感器可以胜任。本系统共用4个E18--D80NK-N红外避障传感器，通过调节旋钮，使它们可以测得设定距离以内的障碍物，这样当机器人处在障碍物设定距离内的地方时，传感器返回低电平，被单片机检测到并作相应的处理。 我们利用上述传感器设计如下图所示电路，其中D1发射红外线，D2接受红外线信号。LM231(此芯片待定)的第5、7引脚为频率的设定端，一般通过调整其外接可变电阻来改变频率。红外载波信号来自其第7脚，也就是说载波信号与频率一致时，能够极大的提高抗干扰特性。当接收到的红外载波信号和频率一致时，说明不是干扰，则第6脚输出低电平。 红外信号经反射后，由探头的光敏三极管接收反射光，经过RC滤波电路及LM741组成的并联负反馈放大电路对信号进行放大，输出频率的方波送到LM231中进行解调，然后经其内部的比较器转换为数字信号经由6号脚输出。 图3-8 红外传感电路 本电路既简化了线路和调试工作，又防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异，实现了红外线发射和接收工作频率的自动同步跟踪，使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。 碰撞传感器 接触传感器通过与目标物体的接触来识别障碍物，选择OTH8084型微动开关作为接触传感器，如图所示，该型号开关结构小巧，使用便捷可靠，信号无需调理。 [日期：2007-06-05] 来源：作者：[字体：大中小] 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波传感器原理与应用 2008-04-18 02:40 超声波传感器原理及应用 信息来源：转载https://www.doczj.com/doc/bf1608225.html,发布时间：2008-01-02字号：小中大 关键字：超声波传感器 1、遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用 2、液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。接收到的信号经BG1、BG2放大，经D1、D2整流成直流电压。当4.7KΩ上的电压超过BG3的导通电压时，有电流流过BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。A点与上图A点相连接。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。BG 不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平。BG导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。 超声波传感器 信息来源：https://www.doczj.com/doc/bf1608225.html,/ca.htm发布时间：2007-11-27字号：小中大 关键字：超声波传感器传感器压电陶瓷超声传感器超声波距离传感器 超声波传感器的测距系统设计图 信息来源：中国超声波发布时间：2008-03-17字号：小中大 关键字：超声波传感器 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了senscomp公司生产的polaroid6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了atmel公司的at89c51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 1、超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20khz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法tof（timeofflight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由polaroid600系列传感器、polaroid6500系列超声波距离模块和at89c51单片机构成。激光雷达高速数据采集系统解决方案
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