基于超声波传感器的测距巡航机器人避障方法研究(附件)【字数：10482】
摘 要随着科学技术的不断进步，人类开发机器人越来越先进，机器人也在逐渐脱离人类的实时控制，变得越来越智能。想要让它们自主运动的重要前提，就是能提前发现并及时躲避运动方向上的障碍物。本文介绍了一种基于超声波传感器的测距巡航机器人。使用Arduino这一新型集成单片机作为开发环境。详细介绍了小车的硬件组成、软件设计、避障的方法与优势及试验的结果。本设计选取Arduino单片机为控制核心，使用超声波传感器发出和接收信号，在单片机内处理信息来达到避障的目的。当传感器检测到小车前方1m有障碍物时，蜂鸣器报警，同时小车右转一定角度，右转过后并不是直接前进而是选择继续声波探测。如果前方1m内没有检测到障碍物则继续向前进，否则继续右转并检测。通过不断检测并判断的过程来实现实时避障。硬件设计的方面，系统选择Arduino单片机作为控制核心，用超声波距离传感器检测与障碍物之间的距离，以L298N模块驱动两个直流电机，实现小车的灵活运动，达到自动避障的目的。软件设计方面，利用Arduino语言编程，通过编程语言来指挥小车的动作。实现小车根据外部情况，能够自主选择，做出前进、后退和右转等动作，从而避障。本设计具有一定的实际运用意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的工程背景、目的和意义 1
1.2超声波传感器 1
1.2.1超声波传感器的研究背景 1
1.2.2超声波传感器的应用 2
1.3.Arduino单片机 3
1.3.1Arduino单片机简介 3
1.3.2Arduino单片机发展现状 4
1.4避障巡航机器人的研究意义和目的 5
1.5论文的主要内容 5
第二章 测距巡航机器人的总体设计 6
2.1设计原理与方法 6
2.2硬件设计 6
2.3软件设计 7
2.3.1Arduino UNO 7
2.3.2Arduino编程软件 8
2.4实验前期准备 9
第三章 硬件模块 10
3.1各模块的基本性能 10
3.1.1单片机模块 10
3.1.2超声波避障模块 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.1.3电机驱动模块 11
3.1.4供电模块 12
3.2连线 13
3.2.1电机驱动模块的连线 13
3.2.2超声波模块的的连线 13
3.2.3供电模块的连线 13
3.2.4超声波避障小车总体连线 14
第四章 软件设计 16
4.1软件设计总体思路 16
4.2程序分块详细说明 16
4.2.1主函数 16
4.2.2小车前进程序 17
4.2.3小车停止程序 18
4.2.4小车后退程序 18
4.2.5小车右转程序 19
4.2.6小车按键控制启动程序 20
4.2.7检测障碍物并右转程序 20
第五章 编译与调试 22
5.1程序的编译 22
5.2程序的调试 23
第六章 总结与展望 24
致 谢 25
参考文献 26
附录 27 第一章 绪论
1.1课题的工程背景、目的和意义
随着现代科学技术的不断发展和遍及，机器人逐步走进了我们的生活。机器人不再是科幻电影中那个遥不可及的名词，它变得越来越贴近我们的生活，无论是小朋友玩的玩具，还是机械、电子、交通、军事、航天这些大的领域，都充斥着机器人的身影。以机器人来代替劳动力一直是人类的梦想，并且一直在朝着这个目标进发。
在我们的生活中，也有着机器人应用的实例，比如说近年来涌现的各个品牌的扫地机器人，如图11所示；用来逗乐小朋友的娱乐机器人，如图12所示；还有很多餐厅实现自助服务使用的机器人服务员，如图13所示。这些机器人有一个共同点就是无需手机、手柄等人为控制，便能够自行完成既定的任务。想要实现这些功能，就需要具有一个重要的前提，那就是能提前发现并及时躲避运动方向上的障碍物。
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图11 扫地机器人 图12 娱乐机器人 图13 机器人服务员
因此，本篇毕业设计旨在设计一个能够智能避障机器人。在智能避障的基础上还可以赋予机器人更多实际运用意义。经过一番考量与比较决定选用Arduino单片机作为主控制器，使用超声波传感器进行避障。
智能避障实现了劳动力的部分解放，必将成为以后智能机器人的一个重要的基础条件。它根据预先设定在“大脑”中的程序，在一定的范围内自主运行，完成一系列的任务，便可达到预期甚至是更好的效果。
1.2超声波传感器
1.2.1超声波传感器的研究背景
从历史上看，使用超声波测量距离开始于第二次世界大战期间，海军对声纳技术的研究。声纳是一种利用声波来测量水下目标位置和运动状态的仪器。经过科学家们几个世纪不懈努力，最终发现了超声波的原理。
随着几个世纪以来，科学技术不断的进步，人们对于超声波的研究也越来越深入。超声波有了越来越多的运用，笼统地说，超声波可以用来测距、测速、清洗、焊接、碎石杀菌消毒等。具体地说超声波被应用于各个领域，如，工学上用超声波来进行水下定位与通讯、对地下资源来进行勘察；生物学上用超声波来剪切大分子、处理种子；诊断学上的各种影像技术；治疗学上用超声波理疗、治疗癌症、体外碎石；等。超声波的应用多种多样，这一切都得益于超声波的种种优点。超声波具有良好的方向性，强劲的穿透力，从中获得的声能较为集中，在水中可以传播较远的距离等等。
超声波的应用一部分是使用的是超声波传感器，另一部分是用超声波的声能来实现运用。本课题使用的是超声波传感器实现测距，从而实现避障。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波传感器常使用“回波探测法（Echo detection method）”，如图14，超声波传感器向一个方向发射超声波，同时传感器中的计时器从零开始计时，超声波在空气中传播，遇到障碍物便会反射回来，传感器接收到反射回来的超声波马上停止计时，得到一个时间t。声音在空气中的传播速度为340m/s，由此可得超声波发射点与障碍物的距离D，即：
（式1）
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图14 回波探测法
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的工程背景、目的和意义 1
1.2超声波传感器 1
1.2.1超声波传感器的研究背景 1
1.2.2超声波传感器的应用 2
1.3.Arduino单片机 3
1.3.1Arduino单片机简介 3
1.3.2Arduino单片机发展现状 4
1.4避障巡航机器人的研究意义和目的 5
1.5论文的主要内容 5
第二章 测距巡航机器人的总体设计 6
2.1设计原理与方法 6
2.2硬件设计 6
2.3软件设计 7
2.3.1Arduino UNO 7
2.3.2Arduino编程软件 8
2.4实验前期准备 9
第三章 硬件模块 10
3.1各模块的基本性能 10
3.1.1单片机模块 10
3.1.2超声波避障模块 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.1.3电机驱动模块 11
3.1.4供电模块 12
3.2连线 13
3.2.1电机驱动模块的连线 13
3.2.2超声波模块的的连线 13
3.2.3供电模块的连线 13
3.2.4超声波避障小车总体连线 14
第四章 软件设计 16
4.1软件设计总体思路 16
4.2程序分块详细说明 16
4.2.1主函数 16
4.2.2小车前进程序 17
4.2.3小车停止程序 18
4.2.4小车后退程序 18
4.2.5小车右转程序 19
4.2.6小车按键控制启动程序 20
4.2.7检测障碍物并右转程序 20
第五章 编译与调试 22
5.1程序的编译 22
5.2程序的调试 23
第六章 总结与展望 24
致 谢 25
参考文献 26
附录 27 第一章 绪论
1.1课题的工程背景、目的和意义
随着现代科学技术的不断发展和遍及，机器人逐步走进了我们的生活。机器人不再是科幻电影中那个遥不可及的名词，它变得越来越贴近我们的生活，无论是小朋友玩的玩具，还是机械、电子、交通、军事、航天这些大的领域，都充斥着机器人的身影。以机器人来代替劳动力一直是人类的梦想，并且一直在朝着这个目标进发。
在我们的生活中，也有着机器人应用的实例，比如说近年来涌现的各个品牌的扫地机器人，如图11所示；用来逗乐小朋友的娱乐机器人，如图12所示；还有很多餐厅实现自助服务使用的机器人服务员，如图13所示。这些机器人有一个共同点就是无需手机、手柄等人为控制，便能够自行完成既定的任务。想要实现这些功能，就需要具有一个重要的前提，那就是能提前发现并及时躲避运动方向上的障碍物。
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图11 扫地机器人 图12 娱乐机器人 图13 机器人服务员
因此，本篇毕业设计旨在设计一个能够智能避障机器人。在智能避障的基础上还可以赋予机器人更多实际运用意义。经过一番考量与比较决定选用Arduino单片机作为主控制器，使用超声波传感器进行避障。
智能避障实现了劳动力的部分解放，必将成为以后智能机器人的一个重要的基础条件。它根据预先设定在“大脑”中的程序，在一定的范围内自主运行，完成一系列的任务，便可达到预期甚至是更好的效果。
1.2超声波传感器
1.2.1超声波传感器的研究背景
从历史上看，使用超声波测量距离开始于第二次世界大战期间，海军对声纳技术的研究。声纳是一种利用声波来测量水下目标位置和运动状态的仪器。经过科学家们几个世纪不懈努力，最终发现了超声波的原理。
随着几个世纪以来，科学技术不断的进步，人们对于超声波的研究也越来越深入。超声波有了越来越多的运用，笼统地说，超声波可以用来测距、测速、清洗、焊接、碎石杀菌消毒等。具体地说超声波被应用于各个领域，如，工学上用超声波来进行水下定位与通讯、对地下资源来进行勘察；生物学上用超声波来剪切大分子、处理种子；诊断学上的各种影像技术；治疗学上用超声波理疗、治疗癌症、体外碎石；等。超声波的应用多种多样，这一切都得益于超声波的种种优点。超声波具有良好的方向性，强劲的穿透力，从中获得的声能较为集中，在水中可以传播较远的距离等等。
超声波的应用一部分是使用的是超声波传感器，另一部分是用超声波的声能来实现运用。本课题使用的是超声波传感器实现测距，从而实现避障。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波传感器常使用“回波探测法（Echo detection method）”，如图14，超声波传感器向一个方向发射超声波，同时传感器中的计时器从零开始计时，超声波在空气中传播，遇到障碍物便会反射回来，传感器接收到反射回来的超声波马上停止计时，得到一个时间t。声音在空气中的传播速度为340m/s，由此可得超声波发射点与障碍物的距离D，即：
（式1）
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图14 回波探测法
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