轮式移动机器人的避障研究（硬件）
轮式移动机器人的避障研究（硬件）[20191213111624]
摘 要
避障是轮式移动机器人的一项基本的功能，是由轮式机器人本身的特性所决定的，由于其不可以像腿式或者是跳跃式机器人那样能够跨越障碍物，因此设计一个轮式机器人，必须考虑避障以及路径规划的问题。
当前轮式移动机器人的避障有着多种的实现方式，主要包括以下几种：传统的红外探头传感器检测障碍物、基于模糊神经算法的超声波检测、摄像头采集路面信息反馈等。采用传统的红外光电管探测避障，需要较长的续流时间，成本高，功耗大，持续工作能力不强。后来的研究方法，由于算法太过复杂，对机器人处理芯片要求高，导致不能够广泛的应用。
本方案采取的是利用红外传感器检测，单片机作为控制系统，舵机控制转向方案。与传统的光电传感器循迹方式相比较，采用的是光电管轮流工作方式，即在任意时间内只有两个光电管在工作，用单片机选择哪两个光电管工作，在此基础上，尽量减小光电管的数量，并简化程序。在避障方面，我们采取的方案是限制光电管的工作时间，因为机器人只有在前进的过程中会碰到障碍物，在原地转向的过程中不会碰到障碍物，因此光电管在转向的过程中我们让它停止工作，这样也能够减小机器人的功耗。最后的运行结果表明，我们的机器人能够顺利实现避障、循迹功能，且功耗较低，能够长时间的工作，为机器人长时间工作提供了保证。
摘 要...............................................................................................................................................Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:轮式机器人避障单片机
目 录
ABSTRACT.................................................................................................................................Ⅱ
第1章 绪论..................................................................................................................................1
1.1 轮式机器人发展现状 .......... 1
1.2 轮式机器人的避障研究现状.........4
第2章 整体设计方案...............................................................................................................7
2.1 机器人设计要求.............7
2.2 设计方案.....8
第3章 硬件各模块设计..........................................................................................................13
3.1 电源模块.....13
3.2 单片机最小系统.....15
3.2.1 单片机最小系统简介......15
3.2.2 单片机最小系统设计..16
3.3 红外循迹避障模块.....21
3.3.1 红外光电管工作原理..21
3.3.2 循迹避障模块电路设计......23
3.4 舵机模块.....27
3.5 后轮电机驱动模块.....29
3.5.1 H桥驱动电路工作原理...29
3.5.2 常用桥式驱动电路芯片L298N..31
3.5.3 后轮电机的控制......34
第4章 制作、调试、安装.........................................................................................................36
4.1 制作.........36
4.2 调试.....37
4.3 安装.....40
第5章 总结与展望....................................................................................................................43
5.1 工作总结.....43
5.2 研究展望.....43
5.2.1 光电检测避障部分的提升..43
5.2.2 关于测速环节的构想..44
致 谢.........................................................................................................................................48
参考文献.........................................................................................................................................49
英文翻译原文...............................................................................................................................53
英文翻译译文...............................................................................................................................78
第1章 绪 论
1.1 轮式机器人的发展现状
随着社会的发展，科技的进步，机器人在人类生产、生活中应用越来越广泛。目前机器人的研究正向着复杂性、智能型、自主型发展，机器人与人类的生活联系将会变得越来越紧密[1]。由于移动机器人的技术集中了计算机视觉、模式识别、多传感器融合、人工智能、虚拟现实、通信、控制等科学领域的先进成果，以及它在军事、民用、科学研究等领域广泛的应用前景，引起了各国政府和大公司的极大的兴趣。关于机器人的先进技术主要集中在美国、欧洲和日本等少数发达的国家[16]。机器人的发展大致经过三代的演变[4]：
第一代机器人是可编程的示教再现型机器人。目前已经普及化，它是依靠人们给予程序，能重复的进行多种操作的系统。由于其不具有传感器的反馈信息，因此无法在执行任务的过程中不间断的获取信息来改善提高本身的行动品质，因此其应用的范围和精度受到限制。
第二代机器人是离线机器人，具有一定的探测和适应环境的能力。这种机器人配有简单的传感器，通过传感器对外部环境进行探测，在事先编好的算法和程序的控制下进行相应的调整。
第三代机器人能感知外界环境与对象，且具有对复杂信息进行正确处理、对自己行为做出正确的自主决策能力的机器人。该种机器人拥有很多的传感器，对传感器探测到的信息能够进行处理并能综合决策来完成任务。这种类型的机器人能够根据环境的变化来调节状态，具有自主学习和自控功能的智能机器人。
机器人可分为固定机器人和移动机器人。移动机器人是最早研发的机器人类型之一，其主要结构有轮式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。相比较其余类型的移动机器人，轮式机器人虽然具有运动稳定性与路面的路况有很大的关系、在复杂地形较难实现精确的轨迹控制的问题，但是由于其具有自重较轻、承载较大、机构简单、驱动和控制方便、行动速度快、机动灵活、工作效率高、成本低廉等优点，故而被大量的应用于农业、工业、智能家居、空间探测、反恐防爆等探测领域。
轮式机器人的不同车轮数，决定了不同的控制方式，因而可以根据车轮数可以对轮式机器人进行分类。主要包含单轮滚动机器人、两轮移动机器人 [8]、三轮及四轮移动机器人、复合式（带车轮）移动机器人，其中三轮及四轮移动机器人最为常见，如下图1.1。
四轮机器人 三轮机器人
后轮电机驱动+前轮舵机转向 双步进电机+万向轮
图1.1 两种常见的轮式机器人
由于生活生产中最为常见的是三轮及四轮机器人，因此这里主要介绍三轮及四轮机器人的技术特点[9]。当在平整的地面时，三轮及四轮机器人是最好的选择，且一些领域的发展已经为该类型的机器人提供了成熟的技术，如汽车领域。目前关于三轮及四轮机器人的相关研究很多，主要涉及到机器人结构、体系结构、运动规划、导航与定位、运动控制的反馈镇定、跟踪控制、交互技术、多传感系统与信息融合、智能技术等关键技术。与此同时，该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础，并将对现代汽车工业的发展产生深远影响。
三轮及四轮机器人按转向结构可分为以下几种类型：艾克曼克转向、滑动转向、全轮转向、轴—关节式转向以及车体—关节式转向。
艾克曼克转向是汽车常用的转向机构[21]，这种转向方式有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种方式。滑动转向又称为差速转向，该类型机器人的两侧车轮独立驱动，通过改变两侧车轮速度来实现不同的转向半径甚至是原位的转向。滑动转向的轮式机器人结构简单，不需要单独的转向设置，且转向机构具有高效性和成本低优势。轮式全方位机器人优点是能够保持车体姿态不变的前提下沿任意方向移动，这种特性使得轮式机器人的路径规划、轨迹跟踪问题变得简单，能够较好完成任务。轴—关节式转向结构的机器人在转向时转动幅度较大，很少采用。车体—关节式转向机器人具有转向灵活、半径小的优点，但是由于其转向轨迹难以精确控制，行走的过程中容易出现前轮与后轮轨迹不一致，因此需要用到额外的辅助装置来约束车体的自由度。
从驱动方面讲，轮式机器人又可分为分为前轮由舵机实现转向、后轮驱动；前轮由电机差速控制转向、前轮驱动；前轮为万向轮、后面两个车轮由两个电机驱动，实现差速转向的3种方式。图1.1的三轮式机器人采用的就是前轮为万向轮、后面两个车轮由一个电机驱动，实现差速转动的方式；四轮机器人采用的是前轮舵机控制转向、后轮电机驱动的方式。
1.2 轮式机器人避障发展现状
研究移动机器人避障问题，具有十分重要的意义。移动机器人因为其具有一般机器人没有的移动能力，因此更具有强大的灵活性，更有可能代替人去完成一些危险、工作环境恶劣、复杂艰巨的任务。在机器人移动的过程中，因为环境的复杂性，会不可避免的遇到一些障碍物，快速、有效地避开这些障碍物，选择一条有效的路径，以确保机器人能够顺利地完成任务，是衡量移动机器人性能的一条关键指标。
目前，避障控制的实现方法有很多，很多专家提出了很多不同的方法，较常见的有利用红外传感器检测并通过编写简单程序控制实现避障功能，更多的是通过避障算法，来实现机器人的避障的功能。由于机器人的硬件部分精度在短时间内无法取得有效地突破，因此现在轮式机器人改善避障的问题归根结底是如何实现快速、有效的避障算法的问题，而避障算法解决的都是如何使机器人在复杂的环境中找到一条有效的路径，避开障碍物，即路径规划问题。因此，对路径规划的研究就显得尤为重要。改善机器人的路径规划问题，将会提高机器人的性能，并能够保证机器人在未知环境中的生存能力，为将来更加智能的机器人打下一个坚实的基础[11]。就避障算法实质而言，轮式机器人要实现避障，首先是由不同的传感器检测环境中的障碍物，再由机器人的“大脑”决定机器人的路径，而不同的避障算法就决定了不同的路径规划。因此，现在机器人的避障能力的强弱，很大程度上是由算法的好坏决定。比较经典的避障算法有神经网络算法[22]、模糊逻辑法[29]、势场法[27]、遗传算法[24]等。
神经网络算法是一种模拟生物神经系统的信息处理方法，具有自适应、自学习特点，采取分布式系统，不依赖精确的系统模型，将输入数据采用非线性变换方法处理，以完成数据分类。由于神经网络包含多层信息处理单元且处理速度高不依赖精确的系统模型，因此神经网络主要应用于增强轮式机器人的导航避障和路径算法。神经网络算法主要通过机器人检测单元收集的环境信息训练好网络的权值，将该权值保存并应用到实际的系统中[26]。
模糊逻辑算法是模拟生物思维方式，结合生物生理上的感知和动作实现避障。当轮式机器人在行进过程遇到障碍物，先判断自身与障碍物之间的距离，再判断周围的环境，如左右侧是否有障碍物，到障碍物的距离等，通过判断周围环境，做出决定，避开障碍。在轮式机器人自主导航过程中，其处的环境具有不确定性，不能将避障环境简单归为特定的几类。根据可规定好的原则来实现机器人躲避障碍，此时就可以运用模糊逻辑算法实现轮式机器人的避障。模糊算法不需要建立系统的精确模型，还符合人类的思维模式，轻松将人们控制经验转化为轮式机器人的控制信号[25]。除此之外，模糊逻辑算法对轮式机器人的要求较低，对轮式机器人的位置信息不过分关注，因此在对其控制的过程中，能够达到控制理论中的一致性、稳定性、连续性、快速性。
摘 要
避障是轮式移动机器人的一项基本的功能，是由轮式机器人本身的特性所决定的，由于其不可以像腿式或者是跳跃式机器人那样能够跨越障碍物，因此设计一个轮式机器人，必须考虑避障以及路径规划的问题。
当前轮式移动机器人的避障有着多种的实现方式，主要包括以下几种：传统的红外探头传感器检测障碍物、基于模糊神经算法的超声波检测、摄像头采集路面信息反馈等。采用传统的红外光电管探测避障，需要较长的续流时间，成本高，功耗大，持续工作能力不强。后来的研究方法，由于算法太过复杂，对机器人处理芯片要求高，导致不能够广泛的应用。
本方案采取的是利用红外传感器检测，单片机作为控制系统，舵机控制转向方案。与传统的光电传感器循迹方式相比较，采用的是光电管轮流工作方式，即在任意时间内只有两个光电管在工作，用单片机选择哪两个光电管工作，在此基础上，尽量减小光电管的数量，并简化程序。在避障方面，我们采取的方案是限制光电管的工作时间，因为机器人只有在前进的过程中会碰到障碍物，在原地转向的过程中不会碰到障碍物，因此光电管在转向的过程中我们让它停止工作，这样也能够减小机器人的功耗。最后的运行结果表明，我们的机器人能够顺利实现避障、循迹功能，且功耗较低，能够长时间的工作，为机器人长时间工作提供了保证。
摘 要...............................................................................................................................................Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:轮式机器人避障单片机
目 录
ABSTRACT.................................................................................................................................Ⅱ
第1章 绪论..................................................................................................................................1
1.1 轮式机器人发展现状 .......... 1
1.2 轮式机器人的避障研究现状.........4
第2章 整体设计方案...............................................................................................................7
2.1 机器人设计要求.............7
2.2 设计方案.....8
第3章 硬件各模块设计..........................................................................................................13
3.1 电源模块.....13
3.2 单片机最小系统.....15
3.2.1 单片机最小系统简介......15
3.2.2 单片机最小系统设计..16
3.3 红外循迹避障模块.....21
3.3.1 红外光电管工作原理..21
3.3.2 循迹避障模块电路设计......23
3.4 舵机模块.....27
3.5 后轮电机驱动模块.....29
3.5.1 H桥驱动电路工作原理...29
3.5.2 常用桥式驱动电路芯片L298N..31
3.5.3 后轮电机的控制......34
第4章 制作、调试、安装.........................................................................................................36
4.1 制作.........36
4.2 调试.....37
4.3 安装.....40
第5章 总结与展望....................................................................................................................43
5.1 工作总结.....43
5.2 研究展望.....43
5.2.1 光电检测避障部分的提升..43
5.2.2 关于测速环节的构想..44
致 谢.........................................................................................................................................48
参考文献.........................................................................................................................................49
英文翻译原文...............................................................................................................................53
英文翻译译文...............................................................................................................................78
第1章 绪 论
1.1 轮式机器人的发展现状
随着社会的发展，科技的进步，机器人在人类生产、生活中应用越来越广泛。目前机器人的研究正向着复杂性、智能型、自主型发展，机器人与人类的生活联系将会变得越来越紧密[1]。由于移动机器人的技术集中了计算机视觉、模式识别、多传感器融合、人工智能、虚拟现实、通信、控制等科学领域的先进成果，以及它在军事、民用、科学研究等领域广泛的应用前景，引起了各国政府和大公司的极大的兴趣。关于机器人的先进技术主要集中在美国、欧洲和日本等少数发达的国家[16]。机器人的发展大致经过三代的演变[4]：
第一代机器人是可编程的示教再现型机器人。目前已经普及化，它是依靠人们给予程序，能重复的进行多种操作的系统。由于其不具有传感器的反馈信息，因此无法在执行任务的过程中不间断的获取信息来改善提高本身的行动品质，因此其应用的范围和精度受到限制。
第二代机器人是离线机器人，具有一定的探测和适应环境的能力。这种机器人配有简单的传感器，通过传感器对外部环境进行探测，在事先编好的算法和程序的控制下进行相应的调整。
第三代机器人能感知外界环境与对象，且具有对复杂信息进行正确处理、对自己行为做出正确的自主决策能力的机器人。该种机器人拥有很多的传感器，对传感器探测到的信息能够进行处理并能综合决策来完成任务。这种类型的机器人能够根据环境的变化来调节状态，具有自主学习和自控功能的智能机器人。
机器人可分为固定机器人和移动机器人。移动机器人是最早研发的机器人类型之一，其主要结构有轮式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。相比较其余类型的移动机器人，轮式机器人虽然具有运动稳定性与路面的路况有很大的关系、在复杂地形较难实现精确的轨迹控制的问题，但是由于其具有自重较轻、承载较大、机构简单、驱动和控制方便、行动速度快、机动灵活、工作效率高、成本低廉等优点，故而被大量的应用于农业、工业、智能家居、空间探测、反恐防爆等探测领域。
轮式机器人的不同车轮数，决定了不同的控制方式，因而可以根据车轮数可以对轮式机器人进行分类。主要包含单轮滚动机器人、两轮移动机器人 [8]、三轮及四轮移动机器人、复合式（带车轮）移动机器人，其中三轮及四轮移动机器人最为常见，如下图1.1。
四轮机器人 三轮机器人
后轮电机驱动+前轮舵机转向 双步进电机+万向轮
图1.1 两种常见的轮式机器人
由于生活生产中最为常见的是三轮及四轮机器人，因此这里主要介绍三轮及四轮机器人的技术特点[9]。当在平整的地面时，三轮及四轮机器人是最好的选择，且一些领域的发展已经为该类型的机器人提供了成熟的技术，如汽车领域。目前关于三轮及四轮机器人的相关研究很多，主要涉及到机器人结构、体系结构、运动规划、导航与定位、运动控制的反馈镇定、跟踪控制、交互技术、多传感系统与信息融合、智能技术等关键技术。与此同时，该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础，并将对现代汽车工业的发展产生深远影响。
三轮及四轮机器人按转向结构可分为以下几种类型：艾克曼克转向、滑动转向、全轮转向、轴—关节式转向以及车体—关节式转向。
艾克曼克转向是汽车常用的转向机构[21]，这种转向方式有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种方式。滑动转向又称为差速转向，该类型机器人的两侧车轮独立驱动，通过改变两侧车轮速度来实现不同的转向半径甚至是原位的转向。滑动转向的轮式机器人结构简单，不需要单独的转向设置，且转向机构具有高效性和成本低优势。轮式全方位机器人优点是能够保持车体姿态不变的前提下沿任意方向移动，这种特性使得轮式机器人的路径规划、轨迹跟踪问题变得简单，能够较好完成任务。轴—关节式转向结构的机器人在转向时转动幅度较大，很少采用。车体—关节式转向机器人具有转向灵活、半径小的优点，但是由于其转向轨迹难以精确控制，行走的过程中容易出现前轮与后轮轨迹不一致，因此需要用到额外的辅助装置来约束车体的自由度。
从驱动方面讲，轮式机器人又可分为分为前轮由舵机实现转向、后轮驱动；前轮由电机差速控制转向、前轮驱动；前轮为万向轮、后面两个车轮由两个电机驱动，实现差速转向的3种方式。图1.1的三轮式机器人采用的就是前轮为万向轮、后面两个车轮由一个电机驱动，实现差速转动的方式；四轮机器人采用的是前轮舵机控制转向、后轮电机驱动的方式。
1.2 轮式机器人避障发展现状
研究移动机器人避障问题，具有十分重要的意义。移动机器人因为其具有一般机器人没有的移动能力，因此更具有强大的灵活性，更有可能代替人去完成一些危险、工作环境恶劣、复杂艰巨的任务。在机器人移动的过程中，因为环境的复杂性，会不可避免的遇到一些障碍物，快速、有效地避开这些障碍物，选择一条有效的路径，以确保机器人能够顺利地完成任务，是衡量移动机器人性能的一条关键指标。
目前，避障控制的实现方法有很多，很多专家提出了很多不同的方法，较常见的有利用红外传感器检测并通过编写简单程序控制实现避障功能，更多的是通过避障算法，来实现机器人的避障的功能。由于机器人的硬件部分精度在短时间内无法取得有效地突破，因此现在轮式机器人改善避障的问题归根结底是如何实现快速、有效的避障算法的问题，而避障算法解决的都是如何使机器人在复杂的环境中找到一条有效的路径，避开障碍物，即路径规划问题。因此，对路径规划的研究就显得尤为重要。改善机器人的路径规划问题，将会提高机器人的性能，并能够保证机器人在未知环境中的生存能力，为将来更加智能的机器人打下一个坚实的基础[11]。就避障算法实质而言，轮式机器人要实现避障，首先是由不同的传感器检测环境中的障碍物，再由机器人的“大脑”决定机器人的路径，而不同的避障算法就决定了不同的路径规划。因此，现在机器人的避障能力的强弱，很大程度上是由算法的好坏决定。比较经典的避障算法有神经网络算法[22]、模糊逻辑法[29]、势场法[27]、遗传算法[24]等。
神经网络算法是一种模拟生物神经系统的信息处理方法，具有自适应、自学习特点，采取分布式系统，不依赖精确的系统模型，将输入数据采用非线性变换方法处理，以完成数据分类。由于神经网络包含多层信息处理单元且处理速度高不依赖精确的系统模型，因此神经网络主要应用于增强轮式机器人的导航避障和路径算法。神经网络算法主要通过机器人检测单元收集的环境信息训练好网络的权值，将该权值保存并应用到实际的系统中[26]。
模糊逻辑算法是模拟生物思维方式，结合生物生理上的感知和动作实现避障。当轮式机器人在行进过程遇到障碍物，先判断自身与障碍物之间的距离，再判断周围的环境，如左右侧是否有障碍物，到障碍物的距离等，通过判断周围环境，做出决定，避开障碍。在轮式机器人自主导航过程中，其处的环境具有不确定性，不能将避障环境简单归为特定的几类。根据可规定好的原则来实现机器人躲避障碍，此时就可以运用模糊逻辑算法实现轮式机器人的避障。模糊算法不需要建立系统的精确模型，还符合人类的思维模式，轻松将人们控制经验转化为轮式机器人的控制信号[25]。除此之外，模糊逻辑算法对轮式机器人的要求较低，对轮式机器人的位置信息不过分关注，因此在对其控制的过程中，能够达到控制理论中的一致性、稳定性、连续性、快速性。
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