机器人 避障 路径规划

中国农业大学

硕士学位论文

移动机器人超声波测距与避障技术研究

姓名：张淼

申请学位级别：硕士

专业：农业电气化与自动化

指导教师：汪懋华

20060601

机器人 避障 路径规划

摘要

移动机器人是机器人研究领域的重要方向，是当前研究的热点之一。安全避障是移动机器人的重要研究内容。超声波避障实现方便，技术成熟，成本低，是移动机器人常用的避障方法。本研究以ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＩ－ＡＴ移动机器人平台作为研究开发工具，消化吸收该移动机器人的软件结构、硬件体系及设计思想，分析比较多种常用避障传感器及避障原理，自主设计开发了可应用于同类移动机器人的超声波安全避障系统。

超声波测距与避障系统包括硬件及软件两个部分。硬件开发基于ＡＴ８９Ｓ５１微控制器，集成了传感器电路、信号调理电路、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。

超声波测距与避障系统的试验包括四个部分：测距系统性能试验、位姿检测试验、安全避障试验以及声纳环布局试验。试验结果表明，系统的测距范围为４０ｃｍ－５００ｃｍ，测距精度可实现测距范围的２％以内。单路测距系统的角度扫描范围为２２。，可以完成正常的测距功能；超声波传感器的测距信息可为位姿检测及校正提供参考；障碍物材质及表面形状试验的结论，可为其他超声波障碍物检测和移动车辆安全避障策略设计提供参考；自主研发的超声波测距与避障系统，通过进一步的产品设计研究，可应用于农用车辆安全避障系统中。

关键诃；超声波传感器，测距，避障，ＰｉｏｎｅｅｒＩｌｌ－ＡＴ，移动机器人

机器人 避障 路径规划

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔａｓｐｅｃｔｓｆｏｒｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｏｆｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ．Ｖａｒｉｏｕｓｓｅｎｓｏ／ｓ，ｓｕｃｈ８ｓｒａｄａｒ，ＳＯｌｌａｆａｎｄｌａｓｅｒ，ｈａｖｅｂｅｅｎｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｏｂｓｔａｃｌｅｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｏｂｏｆｉｃ

ｓｅｎｓｏｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｓｅｎｓｏｒｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｄｕｅｔｏｉｔｓ

ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，虹ｍ耍ｉｃｉｔｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ．Ｔｈｅ

Ｏｉｌｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙｗａｓｔｏｄｅｖｅｌｏｐｒａｎｇｅ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｏｂｓｔａｃｌｅ—ａｖｏｉｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

ｗｅｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅ甜ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＩ－ＡＴｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｓ．Ｍａｎｙｅｆｆｏｒｔｓｄｉｇｅｓｔｉｎｇｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｉｓｒｏｂｏｔ．

ｓｏｎａｒＴｈｅｏｂｓｔａｃｌｅ—ａｖｏｉｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｅｄｏｆａ

ｕｎｉｔ，ａｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔｒｉｎｇｗｉｔＩｌｆｉｖｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒｓ．ａｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄａｐｏｗｅｒｓｕｐｐ秘猎ｕｎｉｔ，Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄｉｎｇ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｉｎｇｉｅ－ｓａｎｓｏｒｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔｉ－ｓｅｎｓｏｒｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、￥ａｓａｔｔｅｍｐｔｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｅｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．

Ｓｅｖｅｒａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅ

ｏｂｓｔａｃｌｅ－ａｖｏｉｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍＷａＳｃａｐａｂｌｅｏｆｓｅｎｓｉｎｇｔｈｅｏｂｓｔａｃｌｅｓｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ４０ｅｒａｔｏ５００ｅｍｗｉｔｈａｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆ１０ｃｍ．ＴｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｇｌｅｃｏｖｅｒａｇｅＷａＳ２２。．ＴｈｅｐｏｓｅｏｆｒｏｂｏｔＷａＳｃａｌｉｂｒａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｒａｎｇｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｗｈｅｎｆｕｒｔｈｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｉｓｃｏｎｄｕｅｔｅｄｉｎｔｈｅｆＩｌｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒ，Ｒａｎｇｉｎｇ，Ｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅ，Ｐｉｏｎｅｅｒｍ－ＡＴ，Ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ１】

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独创性声明

本人声明所呈交的论文怒我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我溪煞，藩了文中特掰搬馥标注移致瀣瀚遗方舞，论文中不毽含其谴人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位戚证书露菠麓过懿孝葶籽。与我一司工作馥藏恚对本磷究搿徽豹任褥贡簸均已在论文中｛乍了萌确的说明并表示了谢意。

戮究皇签名：考强窳瞎闯：≥触ｇ年Ｓ嚣９翻

关于论文使用授权的说明

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≤傺密的学位论文在解密蜃应遵蛮此协议，

磅究叟签名：涨窳导师签名：（礞榔懿越；时间：州年Ｇ月９一｜吱鲫≤年ｇ月？强

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中国农业大学硕士学位论文第一章引言

第一章引言

１．１研究背景和意义

从上世纪后期开始，机器人技术已经是国际工程领域的主要研究方向，并被认为是衡量一个国家智能技术水平的一个重要标志，它集成了计算、电子、控制、传感、神经网络和人工智能等先进技术，是一种高集成度的复杂智能系统１１】。关于机器人的定义，国内外的学者有不同的理解，如美国机器人工业学会讲机器人定义为一种能再编程的多功能操作机，可用各种编程的动作完成多种作业，用于搬运材料、工件、工具和专用装置。本质上，机器人是一种带有外部传感器，可以完成多种任务的可再编程通用操作机。

移动机器人是机器人学的一个重要分支，其中自主移动机器人更是研究热点，它通常集成视觉和触觉、实时控制和决策、人工神经网络等多种复杂先进技术，是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合在复杂的非结构化环境中工作的机器人口“。移动机器人主要是由操作机构、控制单元和驱动单元组成，关键技术有环境建模、路径规划、定位导航、运动控制、安全避障、故障诊断与容错控制等ｐＪ。自主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，寻找最优可行路径，自动避开障碍物，有目的地移动和完成相应任务【“】。

机器人技术在军事领域，特别是在发达国家得到了长足发展和实践应用，如美国国家航空和宇宙航行局研究的火星机器人，可用于探测火星表面状况等任务；美国的帕克博特机器人，可用于地形探测，韩国的犬马型机器人，可用于军事侦察等等。随着机器人技术在工业领域的应用，出现了各种各样的机器人，如精密性装配机器人，弧焊机器人，点焊机器人等１９Ｊ。此外，机器人还应用在车辆自主驾驶和轮椅自主控制等方面的研究。

随着机器人技术的研究取得了不断进展，其广泛而深远的应用前景，引起各国政府和学术界越来越广泛的关注。美国联邦公路局在二十世纪六十年代后期就推出了电子路线引导系统ＥＲＧＳ，日本也于１９７３年在ＣＡＣＳ项目中开展了智能交通系统（ＩＴＳ）研究【１０ｌ。此外，国外的很多研究机构和科研院所也从事机器人方面研究，如美国的Ｈｕｇｈｅｓ人工智能中心、Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学、ＣａｒｎｅｇｉｅＭｅｌｌｏｎ大学、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ大学香槟分校等；加拿大的ＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａ大学、ＭｃＧｉｌｌ大学等；韩国的ＡｊＯＵ大学、Ｐｏｓｔｅｃｈ大学等；新加坡的南洋理工大学等；日本的Ｔｏｋｙｏ大学、Ｔｓｕｋｕｂａ大学等。

我国也将机器人技术作为一个重要研究方向。在国家高技术研究发展计划（８６３计划）和国家重点基础研究发展计划（９７３计划）等项目都将机器人相关技术研究作为重点支持项目…Ｉ。我国也有不少研究单位进行机器人研究，如中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、国防科技大学、北京航空航天大学、河北工业大学、哈尔滨工业大学和上海交通大学等较早地开展了机器人研究。机器人研究在军事和工业领域取得的成果，很早就吸引了农业工程学者的极大兴趣【１２１。由于

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农业劳动力价格的不断上升，自动化农业机械作业具有作业效率高和一致性的优点，可减轻驾驶员疲劳程度，提高农业装备安全性，所以机器人技术在农业中的应用研究也得到了开展。在非结构化的农田环境下工作，移动机器人需要对复杂地形具有一定的辨识和适应能力，并在特殊情况下能够自动进行报警和制动，如对目标物体进行非接触感测和避障处理等１１”。目前，农业机器人是当前国际农业工程领域的一个研究重要方向，出现了采摘机器人１１４】和自主农业导航车辆Ｉｌ”等。新的农业生产模式和新技术的应用及国家政策的推动，促进了农业机械的更新和发展，智能农业机械的技术条件逐渐趋于成熟。在我国，也有一些科研院校开展了农业机器人相关研究，如中国农业大学工学院开发了喷雾机器人ＩＩ“，南京农业大学开展移动机器人视觉导航技术的研究ｌｌ”，华南农业大学工程学院开展温室管理机器人的研究””。

中国农业大学现代精细农业系统集成教育部重点实验室引进了美国ＡｃｔｉｖｅＭｅｄｉａ公司的

ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＩ－ＡＴ移动机器人，将其作为开发工具，开展了机器人相关技术的研究。其中，避障是移动机器人的重要研究内容，本课题主要研究移动机器人超声波测距与避障技术。

ｔ．２机器人的典型结构

机器人的具体结构因用途不同而异，通常操作机具有类似人的肢体功能，可在空间抓放物体或操持工具进行多种作业。操作机的驱动单元随科技发展而变化，高性能的电动机和谐波减速器、光电编码器及测速电机组成的驱动单元逐渐取代液压及气压驱动单元。控制装置相当于人的头脑及感觉系统，它的启动及控制需要人工输入指令或数据１１９１。根据研究方向不同，机器人的硬件系统构成也不尽相同，一种典型结构如图１．１所示。

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人叫＋＿—叫话筒Ｉ摄像头运动声音信号，ｌ声音识别计算机卜 扬声嚣Ｉ

ｌ，Ｉ声音合戚计算机ｈ，Ｉ显示控制计算机ｋ呻机卜—叫文字酗

显示终端

图ｌ－１机器人硬件结构

智能机器人系统综合运用了多种智能模拟技术，其目标是建立一个“人”的模型。机器人的２

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控制模型如图ｌ－２所示，实际上就是人工智能技术在于机器人的综合运用。

图１－２机器人控制模型

机器人问题求解称之为机器人规划，既要求机器人自动寻求控制动作的某种有序组合，把初始的作业状态转变成一定条件的目标状态，所求得鹄动作序歹１ｊ嘲做规划的解１２“。知识库是机器入软件系统的核心。人工智能问题中所谓的知识，通常是描述各种客观环境、对象和条件等，组织成一定结构的“数据”，以及解释、运用这些“数据”，反映有关领域客观规律或主观判断过程的推理机制。

１．３国内外研究现状

１．３。１移动机器人发展现状

移动机器人的种类很多，可从不同角度进行分类。根据工作环境，可分为：室内机器人和室外移动机器人；根据其移动方式，可分为：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人和爬行机器人等；根据控制体系结构，可分为：功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；根据作业空间，可分为：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人“Ｊｊ；根据功能和用途，可分为：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。本课题的研究对象为陆地轮式移动机器人。

美国在机器人研究领域处于世界的领先水平。图ｌ一３为美国国家航空和宇宙航行局研制订‘勇敢号”火星登陆器，它是一个太阳能供电的六轮地质考察机器人，具有地形导航和穿越障碍等功能。在一定距离内，可利用摄像及红外探测设备分辨岩石的类型，完成地质探测和取样任务，并通过无线通讯方式进行远程控制和数据传输。由于工作状态（如天气变化等）来知，火星登陆机器人需在任务初始化及任务执行的过程中，始终保持最佳的工作状态：在无外界指导的条件下，可以自主修正错误的工作状态口”；同时，机器人可以辨识偏离轨道情况，进行自我调整，在与基地失去联系后，可根据轨迹自行返回。３

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中国农业大学硕士学位论文第一章引言

圈１－３火星登陆机器人””１

随着社会的发展和人类文明程度的提高，人类，特别是残疾人，越来越需要应用现代高新技术来改善生活质量和生活自由度。因此，用于帮残行走的轮椅机器人己逐渐成为研究热点。美国ＭＩＴ大学成功研制了一种多传感器信息融台导航机器人轮椅，如所图１．４示。该机器人轮椅具有自定位、动态避障、实时自适应导航控制等功能。轮椅机器人关键技术是安全导航问题，采用的基本方法是超声波和红外测距结合机器视觉融合导航，多传感器融合技术可相互校正单一传感器的导航误差。

图１－４ＭＩＴ智能轮椅”４ｌ

在机器人的研究开发中，日本也是位于世界前列的国家之一。日本研制机器人的时间较美国大约晚１０年，于１９７１年成立日本Ｔ业机器人协会。但由于日本产业界和政府的高度重视，此后日本的机器人得到了飞速的发展。

在日本，农业劳动力老龄化和农业劳动力不足的问题十分突出，为了解决这一问题，日本开发了一系列不同用途的农业机器人，其中包括水果采摘机器人。这种机器人一般在室外＿Ｔ作，作业环境较差，精度没有工业机器人高。机器人的使用者不是专门的技术人员，而是普通农户，技术不太复杂，价格也不高。‘。农业采摘机器人为降低成本，多采用液压驱动。一般情况下，内燃发动机驱动２台油压泵，其中一台驱动机械手，另一台操纵方向盘以及控制油缸。采摘机器人一般利用机器视觉技术，根据颜色来判断果实成熟度。采摘机器人如图１－５所示。

４

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中霄表谴走学硬士学位论文第一章｝｛言

餮１．５嚣奉采蘩横耩太”】

我圈的机器人研究主婴集中在～些高校投科研院所开展，并取得了一定的进展。国内成功举办了多次餐能移动疑器人足球太赛，一些参赛单建对橇嚣天兹臻究这刭了较裹承平。ＣＡＳＩＡ一｛是中科院自动化所研制的集多种传感器、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人，高８０ｃｍ，直径４５ｃｍ，运行最大速度为８０ｃｍ／ｓ，如图ｌ一６所示。

獭１－６串辩随ＣＡＳＩＡ－ｔ祝器又㈥

它悬由传感器、控制器以及运动机构构成，其中传感器由以下３个部分组成：位于机器人底瑟静｛８个籁觉矮懑器，位予杌器人中阀两荣麴ｉ６个麓声转惑器和ｉ６个短，｝传感器，班赦位于机器人顶部的摄像机（ＣＣＤ）。利用多传感器信息融台技术，把由多种传感器环境信息（路径、障褥镌等）醚宫楚褒，祝器入能够了辩鑫舅状态秘繇炎环境辖愚，并窦霹蛾辍密运动控籁决策一躲避障碍物、寻找最优路径，实现自主移动、定点运动、轨迹跟踪、漫游等基本功能“。

ｌ，３．２移溯机器人避障技术

安全避障是镭自§移动瓣嚣大基本功能之一，奏多耱实理方法。主要瓣避障鼓术鸯：越声渡技术、机器视觉技术、Ｅ＃Ｉ－技术、激光技术、接近觉技术和微波雷达技术等［２５，２６１。

１．３。２．｛超声波搜寒

超声波是一种机械波，其频率在２０ＫＨｚ以上。超声波避障是利用超声波测距藤理探测机器

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孛基褒致丈学硬士学位避变第一颦引言人周围的障碍物储息，避开障碍物。超声波传感器成本低，工作处于发射，接收状态，实现方法简萃，技术藏熬，憝撬器入懑漳的常爝方法，毽籍声波铡鼯电存在一些缺煮，如超声波方向饿较差，对障碍物的定位不准确，存在探测肖区和幻影现象等问题ｒ［２７，２８］。

１．３．２．２辘器撬懿技术

从供生学角度，基予敷曩褪觉驰立体视擞系统最犊莲于生物髂鲶援擞系统。撬觉蘧障豹饯点在于其撵测范围广，信息餐大，缺点是难于区分探测目标和背擞。为了将障碍物与背景区分开来，所需的图像计算擞缀大，系缓的实时性较差，成像的逡度不能满足鱼主糁动极器人雏应鼹爨要。薅辫，橇觉测距法检测不到玻璃等遴明障碍物的存在，而且受视场光线强弱、烟雾的影响［２７－３０１。１。３．２．３缎外技术

红外线是一种光波，其波长为］ｔｔｍ－ｌＯＯＯｐｍ，具有定向传播和反射熊力。同趣声波传艨器相｛薮，红岁｝褥惑器工箨娃手发鸯孛缓牧获态。这塑话藩器癌潜一发瓣潺发射筑终续，舞用光益溯器铡棠反射光，根据敬外的相位差或时间间隔，确定障碍物的距离。红外避障的优点在于：它不受周溪可见巍豹影响，竣可在螫夜测量；丈气对菜鉴特定波长蔻垂戆红终线彀牧甚多（２ｐｍ，６ｐｒｏ，３－５９ｍ，８－１４９ｉｎ）：角度灵敏度高，结构简单，成本低。但是红外传感嚣易受到外界干扰，导致测量误差＃７。”１，３“。

１．３。２．４激光技术

激光倍感器和怒声波倦感嚣耜眈。具有浏距速度袂、测距范围远、角度分辨率高、镜面反射小等优点ａ通过二维或三维的扫描激光束或光平砸，激光传感爨能以相对赢的频率和糖度获取大蘩豹数据。激竞转戆器不仅褥在青群麓毙的情况下工律，也可在无环境光的环境光中工作。但是激光铡距技术复杂，成本相对较高，一些激光传感器发射的激光对人眼脊伤害，使用过程中，易德藏揍害１２７茹趣”。

１．３。２．５接近觉技术

由于接近觉传麟器存在探测盲送，所以需与其他传感器配合使用，从而探测到夏加完备的环境信息。磁传感器是一种接近觉传感器。它利耀霍耳元棒等器母｝测量邀球磁场强度，或溅爨气骧磁阻引起线圈电阻的变化，进而测量被测物体的距离。其他的接近觉传感器还有接触式传感器、流体传感器等［２Ｌ２ｓ３“。

１．３．２．６徽波雷达技术

微波鬻达是一耱电磁渡，波长为］ｔｕｒｎ．Ｉｍ，客戆定囱传播及菠掰特性奔于激光帮超声波之闻，工作原理岛超声波馋感器相湖。微波谱达的优点为：目标的颜色、材质差界，对微波雷达的影响较小；在务弹气媛条终下郄霹菠较为稳定建进孬硷涮。毽楚壶手攀羧小型天线不易形成尖锐瓣束，所以较难疯现高精度测量ｌ”辨 “。６

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审饕表整失学硬士学挝瓷交

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１．３．３越声波技术应用

在缀多领域，超声波技术都有成熟的应用方案，并发挥着瓯大的作用：大功率超声波谶常应用于超声雾化及趣声清洗方蕊；小功率超声波可应用予超声或僚、超声避讯、超声探测及超声测距等方谳。

大功率超声波的应用方蕊主要豁；大功攀超声波可将水罐巾的水破碎成许多小雾滚，多数的空气加滋器都萋予就工作襟理，实现增加室１８空气湿庹的目的ｐ”；超声波体夕卜碎石治疗利翊超声波的能量太及定向传播特性，在人体外，击碎把体内的结石，避免了外科手术痛落：［３８１；超声波清洗可完成工盈土鹄各静清洗侔监，跣辩管道海壁帮锅妒海部静满洗【搠；怒声波牙刷也是借躺了超声波的除垢作用。

夸琏搴蘧声波静痉鬻方蟊主甍霄：超声藏像技术将超声波麓计算辊酌图像楚瑷技术穗缭台，基于不同内脏表筒对超声波的反射能力不同的原理，棱测健康内脏和病变内脏的反射影像１４０ｌ；利矮不舞会矮怼踅声渡戆获搿辘秀不磁瓣特性，稳矮超声波探瓣金属、涛瓷潺凝主翻品的肉帮结构””：超声波也可以作为一种载波，实现近距离便携式数字设备间信号的传输。

超声测距嚣藏翔较为广泛：海嚣洼韭孛，将超声波发生嚣装载于渔簸窳下，麓转旃感器淘各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，接收器通过检测反射波，得到鱼群位置；超声波瞧可用于探溅农中鲍囔礁、潜艇，测量海瘩瓣溧疫等；蒋踅声波转感嚣安装手汽车尾邦，胃实现汽车安金倒车防撞检测㈣；超声波传感器还可用于开发盲人的行走引辱（导盲眼镜），为盲人生活提供方便‘４越；憋超声波特感爨安装予油罐顶溃，霹实觋波位熬度戆溅爨脚１；越声洼瞧霹痘蠲予物体浏弹及流量测定场合即ｌ。

１．４课甄研究目标和内容

中国农监大学精细农业研究中心致力子精细农业技术装备的研究与开发。２００４年，精细农业研究中心引进了美国ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ公司的ＰｉｏｎｅｅｒＨＩ－ＡＴ型智能移动机器人，并姆农灶移动装备自童导航相美技术律为研究方恕之一。

本研究以移动机器人作为开发工具，研究自动导航车辆的相关技术，研究目橼为：设计～个移动辊器入超声波溪ｌ箍与邈障系统。系统灏鼹范屡为５０ｅｒａ．－５００ｃｍ，损ｌ燕耩度达到测距范耐的５％以内，县有良好的稳定性和抗干扰性。

磅究瓣主要蠹褰氛摆渡下方莲：

１．

２。对ＰｉｏｎｅｅｒＩＨ－ＡＴ移动机器人软硬件系统技术进行消化吸收；研究机器人常用避障方法。强变趣声波豹浆璇特经帮溅鼯方法，分蟹超声波避藩瓣往缺意，对超声波熬涮鼷诿差

进行分析，并提出解决方法。

３．囊主设计疫薅于裁粪援器入麴超声波溅距与避瘴系统。

４．通过试验，对系统进行检骏与标定，针对结构化环境，设计声纳环布局。７

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串国农鼗大学硕士学位论文篇二章移动机器人研究平音

第叠章移动机器入研究平静

２。１移动机器人硬掌＃系统

美圜ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ公司出品的Ｐｉｏｎｅｅｒ（先锋）系列机器人，是目前蹴界较为成熟的轮式移动机器人研究平台之一。ＰｉｏｎｅｅｒＩＩＩ－ＡＴ枫器人楚一种可避应各静地形的室终机器太，尺寸建

５０ｃｍ（长）ｘ４９ｃｍ（宽）×２６ｃｍ（高），重１２公斤。由３个１２伏蓄电池供电。由四个直流伺服电机驱动四个轮子，每个驱动轮的点径为２１．５ｃｍ。点流电机的齿轮比为６６：ｌ。机器人最大行驶滤度为１．２ｍ／ｓ，最大糙敬角度为４０度。机器人的控制面板包括键盘接口、鼠标接口、串口、ＶＧＡ接口和以太Ｉ阈接口等。控制面板上还有电源、微处理器和嵌入式计舞机的指示灯，如图２－１所示。

图２－ｌ控制面板接口

机嚣人装配霄声纳环、抓手、掇像头、激光扫描仪、防撞缓冲等佟懑器以及带有ＷＩＦＩ无线通讯功能的车载计算机（ＰＣＩ０４），机器人结构如图２－２所示。

图２－２Ｐｉｏｎｅｅｒ

Ｉｌｌ－ＡＴ智能转动机器人

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串国农业大学硕士学位论文第二章移轴机器人研究平台

机嚣人硬件工作框图如图２．３所示，激光扫描仪与车载计舞机之间嫒过ＲＳ．２３２接日遴行通讯。超声波传感器由单片机控制，攀片机与ＰＣＩ０４之间通过ＲＳ．２３２接妇进行通讯。单片机以固定的方式接收车载计算机发来的命令，并以特定的模拣将数据传输至上位机，信息的传送遮度取决于串弱通讯豹速度。

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声纳环由八个超声波传感器组成，安装在距地面２２ｃｍ的位置上，测距范围为２０ｃｍ．７ｍ。超声波传感豢驰摆教位姜如楚２－４所示。

圈２４越拳渡传惑嚣势布

每个超声波传感器都可单独操作（ＯＮ／ＯＦＦ），可通过调整声纳控制板上的增黼旋钮，调挺声纳耳携梭溺耩疫，氇可设鬣声纳环事曩摇一瘸静辩闯。在本谋题中，声辩邵测距精度为溯鼯范阐静５％以内，循环检测的周期为４０ｍｓ。机器人抓手安装于机器人膝部，位于声纳环下方；激光传感器蔌安装予撬器人荦援上；摄缳头安装于激巍孛ｊ捺搜上帮。其安装整置及主要韵熊参数如强２－５所示。

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中国农业大学硕士学位论文第二章移动机器人研究平台

图２－５Ｐｉｏｎｎｅｒ【Ｉ【．ＡＴ的传感器

激光扫描仪由德国ｓｉｃｋ公司制造，其扫描范围为１８０。，角分辨率为１。，扫描频率为ｌＨｚ。摄像头由日本Ｃａｎｏｎ公司制造，该ＣＣＤ摄像头尺寸为Ｏ．２５英寸，像素为４４万，可以左右旋转４－１００。，向上旋转９０。，向卜旋转３０。。安装于机器人前端的抓手可以沿ｘ、Ｙ轴运动，自由度为ｌｏ，提举最大重量为２．５千克。防撞缓冲是接触型传感器，当障碍物漏检时，机器人与障碍物发生碰撞，防撞缓冲会实时发送中断信号，紧急制动机器人。当防撞缓冲启动的时候，机器人自锁，无法行驶。机器人配有ＰＣＭＣＩＡ适配卡实现１０／１００Ｍ无线网络通讯功能，通讯天线安装于机器人甲板上。机器人的两个直流步进电机皆装配有光分辨率的光学积分轴编码器，编码器用于检测速度及进行航迹推算。

２．２移动机器人软件系统

机器人的软件基于客户机朋＆务器模式。Ｈｉｔａｃｈｉ单片机处理机器人底层的任务，包括行进、转向、里程计算及数据采集等功能。ＰＣＩ０４根据应用要求，处理机器人的控制策略及控制任务，例如障碍物检测与躲避、多传感器融合、及智能导航等功能。单片机与ＰＣＩ０４之间通过ＲＳ一２３２进行串口通讯，通讯过程中信息以服务器信息包的形式进行传输处理。标准的服务器信息包每隔ｌＯＯｍｓ接收一次，它包含机器人的当前的位置、行驶方向、线速度、角速度和超声波传感器获取的距离数据。扩展的服务器信息包括不同的控制信息，例如端１２的输入输出信息。应用程序用ｃ＋＋语言和Ｃｏｌｂｅｒｔ语言混台编写，开发环境是ＶＣ．ｎｅｔ，在开发过程中，须将动态库（｛，ｄｉｄ连接到程序中。

Ｐｉｏｎｅｅｒ

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３

４．

５．

６．ＩＩＩ－ＡＴ智能移动机器人标配很多应用软件，实现不同的机器人操作功能：ＡＲＩＡ（ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａＲｏｂｏｔｉｃｓＩｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）机器人底层控制软件ＡＲＮＬ（ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａＲｏｂｏｔｉｃｓＮａｖｉｇａｔｉｏｎ＆Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）机器人导航定位软件ＡＣＴＳ（ＡｃｔｉｖｅＭｅｄｉａＣｏｌｏｒＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）机器人颜色跟踪软件ＭＡＰＰＥＲ（Ｉ．ａｓｅｒｓｃａｎｎｅＬｌａｓｅｒｍａｐｐｅｒ）激光绘图软件ＭＯＢＩＬＥＥＹＥＳ导航仿真软件ＳＡＰＨＩＲＡ激光声纳组合导航软件

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机器人 避障 路径规划

中国农业大学硕士学位论文第二章移动机器人研究平台

课题开发中，可调用ＡＲＩＡ的库函数，对机器人底层硬件控制，并利用ＳＡＰＨＩＲＡ软件进行激光传感器和超声波传感器组合导航控制。

ＡＲＩＡ是ＡｃｔｉｖＭｅｄｉａ公司针对机器人不同的控制和管理需求编写的一种机器人底层控制软件，允许用户调用，用Ｃ＋＋进行编写。在ＰＣＩ０４上运行：它的库函数可以实现很多不同的功能，如数据采集处理等。ＡＲＩＡ是一种源码开放软件，针对不同任务，设计多线程控制，线程的工作流程如图２－６所示。

ｌ为激光曩启线程Ｉ开始同步循环

图２－６ＡＫｌＡ工作流程

为避免多线程同时访问或处理相同数据源，所有数据源都被ＡＲＩＡ的同步对象、交互排他对象和悬挂对象所保护。交互排他对象可保证同一时刻只有单线程访问数据。当它访问数据时，直到结束对此数据源的访问之前，数据源将被锁住。在不使用交互排他对象时，ＡＲＩＡ的数据源只对确定的线程开放，悬挂对象对指定线程进行休眠，以延长线程的处理速度。悬挂对象也可指定某线程连续访问同一数据源，无论交互排他对象有无释放该数据源。

ＡＲＩＡ线程结构的核心是一个同步任务循环，如图２．７所示。在这个同步循环中采集数据并规划机器人状态。同步循环的主要作用是保证机器人内部正常的工作时序，处理多线程，避免信息碰撞。同步任务循环包括基类、主分支类和次分支类。基类是机器人任务的主线，两个主要的分支类分别为传感器数据分析类和用户任务类。传感器处理类分析与声纳环和激光扫描仪相关的任务。其他的次分支类处理状态反馈、数据包、机器人动作等任务。

机器人 避障 路径规划

审萤表盈大学璜±学拯论文第二章移动梳器入研究平台

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ａ）ＡＲＩＡ类菌教ｂ｝屈步镛颦站梅

蕊２－７ＡＲＩＡ线程薹本缩构

传感器信息处理类定义了五个不网的传感器处理聪数。键盘操作类处理与键盘相关的线程，机器夫可以通过键盘操作控翩枫器入，键入ＥＳＣ常被默认为逼｛媳主程序的命令。激光分析类和激光滤波类负责处理激光信息。为提高程序的效率，在运行主线耪的同时，处理激光扫描仪的线程氇两拜运杼，蔺步循环的周期为１００ｍｓ。

状态反馈类处理与机器人的状态及位姿数据相关的信息，数据来源予标准的服务器信息包；韵撵薤瑾黉包据壹接动幸＃措令帮酱遗动作指令。壹接动作控割桃器人车轮运动，籀令为１个字节的命令串，由单片机直接处理。普避逡动命令用来控制机器人运动，由客户端软件处理。普通运鹚禽令对攀令车轮豹运动形筑进行定义、调整线速度帮角速度、调整机器入静绝对运幸亍方囱和相对运行方向、向前移动距离殿制动等动作。在动作类中，机器人备个动作都有专门的函数进行定义，毽对镰令不弱睡魂终会赋予不圈舱蕊先级。

避障獠序通过调用ＡＲＩＡ内部的库函数，寅现避障程序对与机器人的控制，所调用的主露库隳数有：

１．

２。

３．

４。

５．

６。ＡｒＲｏｂｏｔ：：ｒｏｂｏｔｌｏｅｋｅｒ（）ＡｒＲｏｂｏｔ：：ｍｂｏｔＵｎｌｏｃｋｆ）ＡｒＲｏｂｏｔ：：ａｃｔｉｏｎＨａｎｄｌｅｒ（）ＭｅａｓｕｄｎｇＴａｓｋ：：ｄｏＴａｓｋ（）ＡｒＲｏｂｏｔ：：ｓｔａｔｅＲｅｆｌｅｃｔｏｒ（）锁定机器人勰锁规爨入机器人动作库函数机器人镁务库函数机器人状态反馈库函数激光数据处理库函数ｉ２Ａｒｓｌｃｋ：：ｓｅｎｓｏｒＩｎｔｅｒｐＣａｌｌｂａｃｋ（）