轮式移动机器人避障的研究
轮式移动机器人避障的研究[20191215170602]
摘 要
这些年来, 每个行业越来越广泛地加大了机器人的作用,但是,现实环境始终在变化的,不稳定性充斥其间,要想在社会的每个方面使深入运用机器人,就必须使机器人拥有一定程度的智能。这篇文章对轮式移动机器人的整个避障动作进行了研究、仿真和试验,主要的研究工作包含：
首先，检测结果本文结合轮式机器人附近的超声波传感器，处理和使用52单片机的超声波传感器和有障碍物信息，最后，我们使用了模糊控制算法，完成障碍物位置的识别，进而达到轮式机器人自行的避障功能。
其次，本文还附加了遥控智能机器人的内容，给轮式机器人安装了蓝牙模块，并可运用电脑和手机端蓝牙能对轮式机器人的移动进行遥控。最后，为了验证上述内容的可操作性，在室内进行了各种实物避障与遥控的实验。并对实验结果进行了分析，结果表明，该方法可以实现轮式移动机器人在未知环境中的避障。轮式移动机器人躲避障碍的行为，为实现自主、 智能机器人的研究具有非常重要的作用。
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关键字:轮式机器人；避障；无线控制
目录
第1章 绪论 1
1.1 论文选题的意义 1
1.2 机器人的发展概述 1
1.3 轮式机器人避障的发展现状 2
1.3.1 国外轮式机器人避障研究现状 2
1.3.2 国内轮式机器人避障研究现状 3
1.4 论文的研究内容 5
第2章 轮式机器人的硬件设计 6
2.1 硬件整体结构设计 6
2.2 各功能模块设计 8
第3章 轮式机器人的自动避障程序设计 15
3.1 环境监测信息获取与处理 15
3.2 基于模糊控制的避障原理 16
3.3 避障功能的实现与结果分析 19
3.3.1 避障程序设计 19
3.3.2 轮式机器人避障演示实验 22
3.3.3 结果分析 25
第4章 轮式机器人的遥控程序设计 26
4.1 蓝牙通信原理 26
4.2 基于matlab的蓝牙串口通讯 26
4.3 实验测试与结果分析 27
第5章 总结 31
参考文献 32
附录 34
外文翻译 34
程序 50
第1章 绪论
1.1 论文选题的意义
轮式移动机器人属于当前年轻一代的计算机控制领域，轮式移动机器人成为机器人领域的主角是在1985年以后，被广泛应用于在面向社会生活的各方各面。由于轮式移动机器人的移动能力普通机器人不具有，所以表现出更多的工作能力。不能避免地，在行动的过程中轮式移动机器人会遇到各种各样的障碍，实时性和灵活性，用以避免这些障碍，是衡量其性能的一个重要指标。轮式移动机器人的自动避障功能具有很高的社会价值，已广泛用于交通运输，制造，航空航天，军事，医疗等。例如在制造业这个行业中，FAS——柔性装配系统是柔性制造系统中的一个最主要的组成部分[1]。近年来，为应对频繁变化发生在产品更新，FAS的构象发生了很大变化，在先进工业国家都出现了柔性装配系统动态重构的形状，在这样的系统中，有避障功能的许多移动机器人已经替代普通的输送带。一样具备避障功效的移动机器人能给不能行走的残疾人士带来福音。移动机器人避障等功能也有给予残疾人士带来好消息。
1.2 机器人的发展概述
机器人技术正在迅速发展，在新技术革命的新学科，它已被广泛应用于技术和生产的许多方面。机器人由一套光学，精密机械，检测，电子，自动控制，计算机和人工智能技术，以及全面的新技术学科的组合而形成。
有一个很长的机器人的发展历史，三国时期的早期，诸葛亮创造了“木牛流马”是一种古老的机器人雏形。机器人（Robot）一词起源于1920捷克作家卡雷尔茶裴克的戏剧中的人造劳动者[2]，在戏剧中机器人被描述成像奴隶一样劳动的机器。后来，机器人出现在许多工程虚拟机来代替人做一些工作。在第二十世纪60年出现一个实用的机械机器人，使机器人的虚拟机器人和机器人玩具分开，它是被称为工业机器人。
当前所指的机器人多指工业机器人。1962 年，工业机器人Unimate在美国通用汽车公司被投入使用[2]，标志着第一代机器人的出现。机器人的第一代，主要是指只为“教学——复制”操作机器人。教学内容为机器人空间轨迹、工作条件、工作秩序等等。第二代机器人与某些设备，能够获得附近的简单信息，操纵对象处理、分析、机器人需要一定量的推理和反馈控制的行动，表现出较低水平的智力。机器人第三代是适应性很强的自主机器人，它有各种各样的认知功能，可以是逻辑思维，复杂的决策，在工作环境中独立行动。
工业机器人已经走过了50年的历程，60年代初至70年代初，机器人技术的发展相对缓慢，70年代中期逐步投入实际使用，到80年代中期，机器人制造业的发展已成为发展最快和最佳的经济部门，20之一20世纪90年代机器人一直活跃在世界产业的各个领域。在机器人技术的研究自20世纪70年代末，经过“六五”开始，“规划纲要”中，“八五”期间的发展，并取得了大量的机器人理论，原型设计，开发和应用工程和机器人技术成果等方面。许多开发项目已列入“863计划”和“火炬计划”。国家“七五”重点工程中的“机器人示范工程”已由中科院沈阳自动化所完成，逐步成为中国机器人的研究，开发，培训，和机器人通信基站的性能测试，他们已经开发了各种类型的水下机器人，工业机器人控制器，移动机器人。80年代的智能机器人的研究和开发安排在国家级高新技术项目，包括水下机器人，机器人及各种高性能特种机器人装配的无电缆的应用。 90年代中期，国家已选择开展焊接机器人技术研究和开发的重点，并取得了可喜的成绩，但从整体水平上来讲，我们国家的机器人技术相比起发达国家还有一些距离。
1.3 轮式机器人避障的发展现状
1.3.1 国外轮式机器人避障研究现状
上世纪第二十年代初，美国斯坦福研究所致力于智能车辆的研究。在六十年代开发的“沙基智能机器人的眼睛-车”系统。其具体的结构是在图1-1所示，目的是要检查的人工智能技术，在复杂环境中独立推理、规划和控制的机器人应用。同时，操作最早的步行机器人的开发，并开始研究机器人行走机构，为了解决在不均匀运动区域的机器人，设计和开发了多足步行机器人。80年代中期，世界领先的公司开始发展移动机器人平台，移动机器人，主要为大学实验室及科研院所的移动机器人实验平台，从而促进了出现各种移动机器人的研究方向。90年代以来，为了发展的环境信息传感器和信息处理技术，移动机器人控制技术高适应性，规划技术在实际环境中作为一种象征，一种移动机器人开展更高层次的研究。1996年，美国航空航天局NASA研制的活性探测移动机器kSojourner初次登上火星实行科学勘察的使命[4-8]，利用移动机器人技术在空间探索和发展已成为主要国家的主要目标在第二十一世纪全球开发技术和空间资源的竞赛。为了使火星上的长距离的探索，开始研发新一代的原型，名叫Rocky7，和在喀斯特湖的溶岩的流和干涸的湖，一个成功的实验。2003年七月七日，美国的“机会”火星探测器的发射成功，开始慢慢地踏上寻找水源的火星之旅和生命的存在。在欧洲发达国家和美国，日本，移动服务机器人被广泛应用于医疗和福利服务，商店和超市，餐厅，酒店服务，维修保养和清洁服务和家庭服务。比尔·盖茨预测，家用机器人将席卷全球。
图1-1 第一代智能机器人
1.3.2 国内轮式机器人避障研究现状
中国开始在移动机器人的研究较晚，大多数仍然是在一个阶段，我们在国家重点研究机器人的“七五”计划，国家计划的内容，映射的全局路径规划研究1994清华大学（路网准构造环境，环境和障碍的全局路径规划，全局路径规划的自然地形环境下的全局路径规划）[9]；在路径规划的仿真研究（室外移动机器人局部路径规划系统的基础上，规划系统的全局路径规划系统图的模拟仿真，仿真）；传感器技术、 信息融合研究 （差分全球定位系统、 磁罗盘和光码盘定位系统、 超声波距离测量系统、 加工技术、 基于机器视觉的多传感器信息融合技术）[10-13]；设计和实施智能移动机器人 （移动机器人体系结构、 数据自动传输技术的高效、 快速的系统），智能移动机器人通过鉴定的研究，科学也工业自动中国科学院沈阳自动化研究所引导下移动机器人 （AGV） 和防暴控制机器人，自动化中国科学院来设计和制造全套的移动机器人视觉导航系统 ；哈尔滨学院技术在 1996 年制定的指导的机器人，依此类推。 2003中国科学院自动化研究所开发研制CASIA-I智能移动机器人。移动机器人是各种传感器，视觉，语音识别等功能于一体的会话与智能移动机器人。它不需要人的干预，能够独立完成运动导航，避障等。机器人的行走机构和传感器阵列的车轮，机器人能独立行走，在家里冷静地避开障碍物。另外，香港城市大学研究的自动导航车以及服务机器人，哈尔滨大学研制的轮式智能服务机器人，壁面清洗机器人的哈尔滨工业大学机器人研究所，在我国工业机器人的研究作出了杰出的贡献。
自主移动机器人的避障方法取得了良好的效果。计算机技术，电子技术，通信技术，传感器技术，控制技术，网络技术将促进移动机器人导航技术的飞速发展，取得更大的成绩。轮式移动机器人有如下几点的发展趋向：
(1) 视觉导航拥有探测信息量大，检测范围广的特点，仍然是自主移动机器人避障的重要发展趋势；
（2）避障系统将朝着分布式，模块化，网络的发展，多机器人合作，发展目标。分布式的体系结构和模块化有助于减少体积和重量的机器人。通过互联网，和多机器人协作网络的远程操作机器人是一个热门的研究课题在新的导航技术；
(3) 路径规划的多层整合规划和方向。引进的无功规划和考虑的基于行为的规划方法。全局路径规划为本地路径规划和障碍避免规划的复杂的环境中更有利于相结合；
(4) 新技术、新的方法（例如，虚拟现实技术、 新方法等）将促进避障技术，更快地发展。
1.4 论文的研究内容
本文主要包括以下内容：首先，进行检测的超声波传感器的移动机器人的环境信息，得到有用的信息更完整。第二，确定避障的其控制算法。第三，通过计算机仿真，建立了方案的可行性，并实际应用（轮式移动机器人）试验。
智能移动机器人的研究，其核心问题是研究导航和避障。其中，一种移动机器人的避障功能的关键绩效指标，也代表了智能积分。为了实现自主移动机器人避障行走控制，所面临的基本问题是：一方面是需要充分的环境信息，另一方面需要的环境信息可以通过将其加工成控制信息来获得。
本课题的目标有望实现实时移动机器人避障。研究这个课题属于智能机器人控制的内容。采用的研究方案是运用模糊控制的理论编写自动避障的控制算法，应用实物加以验证。
第2章 轮式机器人的硬件设计
2.1 硬件整体结构设计
如图2-1，为轮式机器人的整体结构框图，图2-2和图2-3为轮式机器人的实物图，在图中，共有四个按键，其中S4 按钮的作用是：按上来接通 U1 单片机，按下去接通 U2 单片机；S3按钮的作用是：按上来单片机 U1 或 U2 接通蓝牙模块/超声波模块，按下去单片机接通 USB 下载口，可以下载程序（建议总电源开关处于关闭状态，由 USB供电）。总电源开关的功能是：拨右为电池通电；插入 USB 时，拨左为 USB 通电；复位开关（无锁）的功能是：按下两块 MCU 同时重启。
摘 要
这些年来, 每个行业越来越广泛地加大了机器人的作用,但是,现实环境始终在变化的,不稳定性充斥其间,要想在社会的每个方面使深入运用机器人,就必须使机器人拥有一定程度的智能。这篇文章对轮式移动机器人的整个避障动作进行了研究、仿真和试验,主要的研究工作包含：
首先，检测结果本文结合轮式机器人附近的超声波传感器，处理和使用52单片机的超声波传感器和有障碍物信息，最后，我们使用了模糊控制算法，完成障碍物位置的识别，进而达到轮式机器人自行的避障功能。
其次，本文还附加了遥控智能机器人的内容，给轮式机器人安装了蓝牙模块，并可运用电脑和手机端蓝牙能对轮式机器人的移动进行遥控。最后，为了验证上述内容的可操作性，在室内进行了各种实物避障与遥控的实验。并对实验结果进行了分析，结果表明，该方法可以实现轮式移动机器人在未知环境中的避障。轮式移动机器人躲避障碍的行为，为实现自主、 智能机器人的研究具有非常重要的作用。
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关键字:轮式机器人；避障；无线控制
目录
第1章 绪论 1
1.1 论文选题的意义 1
1.2 机器人的发展概述 1
1.3 轮式机器人避障的发展现状 2
1.3.1 国外轮式机器人避障研究现状 2
1.3.2 国内轮式机器人避障研究现状 3
1.4 论文的研究内容 5
第2章 轮式机器人的硬件设计 6
2.1 硬件整体结构设计 6
2.2 各功能模块设计 8
第3章 轮式机器人的自动避障程序设计 15
3.1 环境监测信息获取与处理 15
3.2 基于模糊控制的避障原理 16
3.3 避障功能的实现与结果分析 19
3.3.1 避障程序设计 19
3.3.2 轮式机器人避障演示实验 22
3.3.3 结果分析 25
第4章 轮式机器人的遥控程序设计 26
4.1 蓝牙通信原理 26
4.2 基于matlab的蓝牙串口通讯 26
4.3 实验测试与结果分析 27
第5章 总结 31
参考文献 32
附录 34
外文翻译 34
程序 50
第1章 绪论
1.1 论文选题的意义
轮式移动机器人属于当前年轻一代的计算机控制领域，轮式移动机器人成为机器人领域的主角是在1985年以后，被广泛应用于在面向社会生活的各方各面。由于轮式移动机器人的移动能力普通机器人不具有，所以表现出更多的工作能力。不能避免地，在行动的过程中轮式移动机器人会遇到各种各样的障碍，实时性和灵活性，用以避免这些障碍，是衡量其性能的一个重要指标。轮式移动机器人的自动避障功能具有很高的社会价值，已广泛用于交通运输，制造，航空航天，军事，医疗等。例如在制造业这个行业中，FAS——柔性装配系统是柔性制造系统中的一个最主要的组成部分[1]。近年来，为应对频繁变化发生在产品更新，FAS的构象发生了很大变化，在先进工业国家都出现了柔性装配系统动态重构的形状，在这样的系统中，有避障功能的许多移动机器人已经替代普通的输送带。一样具备避障功效的移动机器人能给不能行走的残疾人士带来福音。移动机器人避障等功能也有给予残疾人士带来好消息。
1.2 机器人的发展概述
机器人技术正在迅速发展，在新技术革命的新学科，它已被广泛应用于技术和生产的许多方面。机器人由一套光学，精密机械，检测，电子，自动控制，计算机和人工智能技术，以及全面的新技术学科的组合而形成。
有一个很长的机器人的发展历史，三国时期的早期，诸葛亮创造了“木牛流马”是一种古老的机器人雏形。机器人（Robot）一词起源于1920捷克作家卡雷尔茶裴克的戏剧中的人造劳动者[2]，在戏剧中机器人被描述成像奴隶一样劳动的机器。后来，机器人出现在许多工程虚拟机来代替人做一些工作。在第二十世纪60年出现一个实用的机械机器人，使机器人的虚拟机器人和机器人玩具分开，它是被称为工业机器人。
当前所指的机器人多指工业机器人。1962 年，工业机器人Unimate在美国通用汽车公司被投入使用[2]，标志着第一代机器人的出现。机器人的第一代，主要是指只为“教学——复制”操作机器人。教学内容为机器人空间轨迹、工作条件、工作秩序等等。第二代机器人与某些设备，能够获得附近的简单信息，操纵对象处理、分析、机器人需要一定量的推理和反馈控制的行动，表现出较低水平的智力。机器人第三代是适应性很强的自主机器人，它有各种各样的认知功能，可以是逻辑思维，复杂的决策，在工作环境中独立行动。
工业机器人已经走过了50年的历程，60年代初至70年代初，机器人技术的发展相对缓慢，70年代中期逐步投入实际使用，到80年代中期，机器人制造业的发展已成为发展最快和最佳的经济部门，20之一20世纪90年代机器人一直活跃在世界产业的各个领域。在机器人技术的研究自20世纪70年代末，经过“六五”开始，“规划纲要”中，“八五”期间的发展，并取得了大量的机器人理论，原型设计，开发和应用工程和机器人技术成果等方面。许多开发项目已列入“863计划”和“火炬计划”。国家“七五”重点工程中的“机器人示范工程”已由中科院沈阳自动化所完成，逐步成为中国机器人的研究，开发，培训，和机器人通信基站的性能测试，他们已经开发了各种类型的水下机器人，工业机器人控制器，移动机器人。80年代的智能机器人的研究和开发安排在国家级高新技术项目，包括水下机器人，机器人及各种高性能特种机器人装配的无电缆的应用。 90年代中期，国家已选择开展焊接机器人技术研究和开发的重点，并取得了可喜的成绩，但从整体水平上来讲，我们国家的机器人技术相比起发达国家还有一些距离。
1.3 轮式机器人避障的发展现状
1.3.1 国外轮式机器人避障研究现状
上世纪第二十年代初，美国斯坦福研究所致力于智能车辆的研究。在六十年代开发的“沙基智能机器人的眼睛-车”系统。其具体的结构是在图1-1所示，目的是要检查的人工智能技术，在复杂环境中独立推理、规划和控制的机器人应用。同时，操作最早的步行机器人的开发，并开始研究机器人行走机构，为了解决在不均匀运动区域的机器人，设计和开发了多足步行机器人。80年代中期，世界领先的公司开始发展移动机器人平台，移动机器人，主要为大学实验室及科研院所的移动机器人实验平台，从而促进了出现各种移动机器人的研究方向。90年代以来，为了发展的环境信息传感器和信息处理技术，移动机器人控制技术高适应性，规划技术在实际环境中作为一种象征，一种移动机器人开展更高层次的研究。1996年，美国航空航天局NASA研制的活性探测移动机器kSojourner初次登上火星实行科学勘察的使命[4-8]，利用移动机器人技术在空间探索和发展已成为主要国家的主要目标在第二十一世纪全球开发技术和空间资源的竞赛。为了使火星上的长距离的探索，开始研发新一代的原型，名叫Rocky7，和在喀斯特湖的溶岩的流和干涸的湖，一个成功的实验。2003年七月七日，美国的“机会”火星探测器的发射成功，开始慢慢地踏上寻找水源的火星之旅和生命的存在。在欧洲发达国家和美国，日本，移动服务机器人被广泛应用于医疗和福利服务，商店和超市，餐厅，酒店服务，维修保养和清洁服务和家庭服务。比尔·盖茨预测，家用机器人将席卷全球。
图1-1 第一代智能机器人
1.3.2 国内轮式机器人避障研究现状
中国开始在移动机器人的研究较晚，大多数仍然是在一个阶段，我们在国家重点研究机器人的“七五”计划，国家计划的内容，映射的全局路径规划研究1994清华大学（路网准构造环境，环境和障碍的全局路径规划，全局路径规划的自然地形环境下的全局路径规划）[9]；在路径规划的仿真研究（室外移动机器人局部路径规划系统的基础上，规划系统的全局路径规划系统图的模拟仿真，仿真）；传感器技术、 信息融合研究 （差分全球定位系统、 磁罗盘和光码盘定位系统、 超声波距离测量系统、 加工技术、 基于机器视觉的多传感器信息融合技术）[10-13]；设计和实施智能移动机器人 （移动机器人体系结构、 数据自动传输技术的高效、 快速的系统），智能移动机器人通过鉴定的研究，科学也工业自动中国科学院沈阳自动化研究所引导下移动机器人 （AGV） 和防暴控制机器人，自动化中国科学院来设计和制造全套的移动机器人视觉导航系统 ；哈尔滨学院技术在 1996 年制定的指导的机器人，依此类推。 2003中国科学院自动化研究所开发研制CASIA-I智能移动机器人。移动机器人是各种传感器，视觉，语音识别等功能于一体的会话与智能移动机器人。它不需要人的干预，能够独立完成运动导航，避障等。机器人的行走机构和传感器阵列的车轮，机器人能独立行走，在家里冷静地避开障碍物。另外，香港城市大学研究的自动导航车以及服务机器人，哈尔滨大学研制的轮式智能服务机器人，壁面清洗机器人的哈尔滨工业大学机器人研究所，在我国工业机器人的研究作出了杰出的贡献。
自主移动机器人的避障方法取得了良好的效果。计算机技术，电子技术，通信技术，传感器技术，控制技术，网络技术将促进移动机器人导航技术的飞速发展，取得更大的成绩。轮式移动机器人有如下几点的发展趋向：
(1) 视觉导航拥有探测信息量大，检测范围广的特点，仍然是自主移动机器人避障的重要发展趋势；
（2）避障系统将朝着分布式，模块化，网络的发展，多机器人合作，发展目标。分布式的体系结构和模块化有助于减少体积和重量的机器人。通过互联网，和多机器人协作网络的远程操作机器人是一个热门的研究课题在新的导航技术；
(3) 路径规划的多层整合规划和方向。引进的无功规划和考虑的基于行为的规划方法。全局路径规划为本地路径规划和障碍避免规划的复杂的环境中更有利于相结合；
(4) 新技术、新的方法（例如，虚拟现实技术、 新方法等）将促进避障技术，更快地发展。
1.4 论文的研究内容
本文主要包括以下内容：首先，进行检测的超声波传感器的移动机器人的环境信息，得到有用的信息更完整。第二，确定避障的其控制算法。第三，通过计算机仿真，建立了方案的可行性，并实际应用（轮式移动机器人）试验。
智能移动机器人的研究，其核心问题是研究导航和避障。其中，一种移动机器人的避障功能的关键绩效指标，也代表了智能积分。为了实现自主移动机器人避障行走控制，所面临的基本问题是：一方面是需要充分的环境信息，另一方面需要的环境信息可以通过将其加工成控制信息来获得。
本课题的目标有望实现实时移动机器人避障。研究这个课题属于智能机器人控制的内容。采用的研究方案是运用模糊控制的理论编写自动避障的控制算法，应用实物加以验证。
第2章 轮式机器人的硬件设计
2.1 硬件整体结构设计
如图2-1，为轮式机器人的整体结构框图，图2-2和图2-3为轮式机器人的实物图，在图中，共有四个按键，其中S4 按钮的作用是：按上来接通 U1 单片机，按下去接通 U2 单片机；S3按钮的作用是：按上来单片机 U1 或 U2 接通蓝牙模块/超声波模块，按下去单片机接通 USB 下载口，可以下载程序（建议总电源开关处于关闭状态，由 USB供电）。总电源开关的功能是：拨右为电池通电；插入 USB 时，拨左为 USB 通电；复位开关（无锁）的功能是：按下两块 MCU 同时重启。
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