哈工大大一立项

编号：

哈尔滨工业大学

大一年度项目立项报告

项目名称：智能避障探路机器人设计

项目负责人：学号：

联系电话：电子邮箱：

院系及专业：

指导教师：职称：

联系电话：电子邮箱：

院系及专业：

哈尔滨工业大学基础学部制表

填表日期：2013 年11 月13 日

一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序）

二、指导教师意见

三、项目专家组意见

四、立项报告

（一）立项背景

1.1 项目意义

自从1959年世界上诞生了第一台机器人以来，机器人技术取得了长足的进步和发展至今已发展成为一门综合性尖端科学。机器人技术的发展集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。

智能避障探路机器人是机器人学中一个重要分支，一直为学者们所热衷。它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，能够在大范围运动，广泛的为人类承担各种任务，如搜救，行星探测，因此对于避障探路机器人的研发和改良有着重要意义。

1.2 研究现状

随着计算机技术、传感器技术的发展和进步，避障探路机器人向实用化、智能化、系列化进军，日本、德国、美国都取得了各方面的先进研究成果。我国的研究从八五期间开始，至今在清华大学，哈尔滨工业大学，中科院自动化所，浙江大学等都取得了可喜的研究成果。目前，我国避障探路机器人的研究发展水平还和发达国家有一定的差距。

避障探路机器人的研究一直是一个重大的主题，它要求机器人必须能在具有障碍物的复杂环境中完成局部在线避障，需要解决三个重要问题：障碍物在空间的位置方向的精确检测；所获信息的分析和环境模型的建立；使机器人安全避障的策略。目前机器人的环境建模方法有以下几种：

可视图法(VGraph)：由Nilsson在1968年提出的，其算法简单且能找到最短路径，但是由于其缺乏灵活性，在障碍物较多时，搜索时问将会很长并且要求障碍物的形状不能接近圆形，因此现在限制了其实际的应用。进而现在通常采用基于切线图法(Tangent Graph)和Voronoi法的改进可视图法。

栅格法(Grid)：由W．E．Howden在1968年提出的，是目前研究较广泛的路径规划方法。其中栅格的大小影响着环境信息存储量的大小和时间的长短。栅格划分越大，环境信息的存储量越小，分辨率越低，复杂环境下的避障效果越差，时间越短；栅格划分越小，环境信息的存储量越大，分辨率越高，复杂环境下的避障效果越好，时间越长。

除以上几类外，还有自由空间法，拓扑法，人工势场法等。

而智能避障方法更优于传统法在未知或者是部分未知的环境下通过传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息，并使机器人自主获得一条无碰撞最优路径，是现在研究移动机器人避障热点之一。

上诉所提到的智能方法在机器人路径规划技术中已收到广泛的重视及研究，在障碍物环境已知或未知情况下，均取得了一定的研究成果。

1.3 发展趋势

机器人避障技术展望：随着计算机技术、传感技术、控制技术的发展，机器人的避障及其路径规划技术已经取得了丰硕的研究成果，相应的方法也更加的成熟，特别是对周围环境一直情况下的全局避障路径规划，其理论研究已经比较完善目前比较活跃的领域是研究在环境未知情况下的局部避障路径规划，目前存在的算法设计均具有一定局限性，如人工势场算法的局部极小值，智能算法需要存储空间大，避障路径规划时间不确定等。目前研究主要集中于以下几方面：对未知复杂环境信息的研究指标需要进一步提高；多传感器信息融合用于避障路径规划等。

（二）项目研究内容及实施方案

2.1 研究内容

本项目主要研究内容如下：

智能避障探路机器人硬件电路设计包括机器人机械结构、单片机电路、电机控制及驱动电路、避障电路、电源等设计；

研究机器人避障控制策略包括对障碍物的检测，预障碍物的处理等；

系统软件设计采用软件编程的方式，通过单片机实现系统控制功能。

2.2 总体设计方案

该机器人采用轮式结构，采用2套电源分别对电机和控制电路进行单独供电。左右轮各安装独立电机，通过两侧电机的差速实现机器人的转向等动作。通过单片机软件编程控制各系统模块。在机器人行进时，传感器系统中红外线传感器探测外部环境障碍物存在和障碍物距离信息；同时单片机检测两路电机光电码盘信号，根据电机测速模块的数据可以得到机器人的位置信息和速度信息，运行测速程序以实时获知电机转速，利用PWM（脉宽调制）技术动态控制两侧电机的转动方向和转速，实现机器人行进，绕障，停止的精确控制。检测数据的动态显示由液晶显示屏完成。其硬件结构框图如图1所示。

2.3 系统硬件结构（型号等选择可根据实际情况变动）

图1 系统硬件结构框图

2.3.1 机械结构

机器人可采用的移动方式较多，包括轮式、履带式、步行式以及空中飞行、水下游动等多种方式。轮式移动是目前机器人采用最为广泛的移动方式，具有较强的活动能力，良好的稳定性等特点，它的控制较为简单，获取方便；步行移动机器人具有良好的机动性，对崎岖不平的地面有很强的适用性，但是其控制复杂，对系统要求较高。

由于本课题中的机器人设计思想是位于室内环境，地面环境良好，且目标定位是完成简单障碍物的躲避因此采用结构简单，控制方便的三轮差动转向式移动机构。

三轮移动机构具有一定的稳定性，要解决的主要问题是移动方向和速度的控制，代表性的车轮配置方式为一个前轮，两个后轮，两个后轮独立驱动，前轮仅其支撑作用，靠后轮的转速差实现转向，比较简单，能够满足一般的需要，应用也比较广泛。四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂。六轮与四轮相似，只不过有更大的承载能力和稳定性。在本课题中，由于是在室内的环境中做试验，所以采用三轮就能满足要求，如图2所示。铰轴转向式控制简单，但精度不是太高。差动转向式控制复杂，但精度较高。在控制方式上应达到一个较高层次，并且其运动和转向的精度应该高一些，以便为以后的避障和轨迹规划打下一个良好的基础。

图2 三轮差动转向式示意图

2.3.2 单片机控制系统

本项目拟选用AT89C51单片机作为中心控制部分，完成对直流电机的控制，使电机实现正转和反转，控制液晶显示机器人的运动状态，并接收传感器的信号做出相应的避障动作。

2.3.3 传感器系统

传感器系统包括电机测速模块与障碍物信息采集模块两个部分，电机测速负责检测电机的速度，根据电机测速模块的数据可以得到机器人的位置信息和速度信息。障碍物信息采集模块由超声波，红外线（拟选定）和碰撞开关传感器等组成，探测外部环境障碍物存在和障碍物距离信息。

（1）电机测速模块

电机测速传感器本质上就是一个红外线传感器，本系统选用的电机测速传感器是一个装有反射式红外传感器的集成模块，如图3所示，中间的小块即为反射式红外传感器，他包括一个发射管和一个接收管，发射管发射红外光照射在黑白相间的测速码盘上，测速码盘如图2.11所示，当红外线扫过码盘上的黑条纹时，由于黑色对光的吸收性较好，因此红外线的返回较弱，红外接收头接收到弱红外，发出低电平，单片机捕捉到低电平，当红外线扫过码盘上的白条纹时，由于白色对光的反射性较好，因此红外线的返回较强，红外接收头接收到强红外，发出高电平，单片机捕捉到高电平，单片机通过捕捉高低电平的个数，根据车轮的直径，计算电机的速度。

图3 电机测速模块

（2）障碍物信息采集模块

方案一：探测障碍物使用超声波传感器。采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。经实验，使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。而且超声波传感器价格比较昂贵。

方案二：使用光敏传感器，直接根据光源的信号进行判断。这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行，单片机控制电机绕开障碍物行驶。

方案三：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用有交流分量的调制信号，可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大(50~100mA)，则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单，制作比较简单。

本项目拟选择红外传感器：在机器人周围布置6个GP2Y0D21YK型红外，距离传感器和6个GP2D12型红外测距传感器，如图1所示。图4中的1～6为GP2Y0D21YK型红外距离传感器也就是红外开关或称短红外传感器，它的探测距离是固定的24cm，能够提供数字开关量输出（0V或5V）。它的工作原理是：当在24 cm的距离处有障碍物时，接收电路端口输出5V高电平电压信号，没有障碍物时，端口输出的为0V低电平电压信号，通过高、低电平的变化来识别是否将遇到障碍物。

图4 红外传感器布置图

2.3.4 电机及其驱动电路

电机在机器人驱动中起着重要的作用，简易机器人的动力来源于电动机。直流电机是机器人的一个最基本的、最不可缺少的单元。直流电机易于控制，通过相应的驱动芯片可以对直流电机进行正转和反转的控制。本设计中通过单片机的P1口来实现直流电机的控制。机器人动力系统由主控板和左右电机组成。主控板驱动电机，使机器人轮子获得转动力矩，电机的转速和转动方向由单片机控制，调节两侧电机的转速、方向就可以实现机器人的前进、后退及转向等动作，完成机器人的移动任务。

（1）电机选择

电机主要包括直流电机和交流电机两种，一般情况下交流电机是从电网上得到电力能源，直流电机可以直接用电池或经过变压器从交流电网上得到自己所需要的直流来提供能源，相同体积的电机，直流电机往往要比交流电机的输出功率大。相比之下，直流电机的动力源携带更加方便，轻巧。且直流电机的转动惯量相对较小，控制特性好，响应速度快，满足机器人的灵敏性要求；具有很宽的调速范围，速度快，满足机器人的快速性要求；低速平稳性好，满足稳定性要求；机械特性硬，过载能力强，可以满足机器人的越障要求。由于本系统设计的智能移动机器人是个自主移动机器人，考虑控制和移动的简单方便性，要求电机轻巧，能源携带方便，控制性能好等特点，因此本系统的执行机构选用直流电机，采用PWM控制，通过改变PWM波形的占空比实现电机的调速，控制简单、方便、灵活。

（2）控制模块

直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。

本项目拟采用脉宽调制PWM技术：现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。

2.3.5 显示电路

采用液晶显示，我们可以通过液晶板的显示来得知我们在实验中测得的数据，同时它的电路简单。本系统设计采用字符型1602单色液晶显示模块HD44780，它是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。HD44780是集驱动器与控制器于一体，专用于字符显示的液晶显示控制驱动集成电路，液晶显示屏是以若干个5×8或5×11点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。具有字符发生器ROM可显示192种字符，HD44780的显示缓冲区及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯片内。它具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。且具有低功耗、长寿命、高可靠性等特点。

2.4 运动控制策略

在启动机器人后，机器人向前行进，同时传感器探测前方障碍物距离，在探测到不远处障碍物后，机器人自动转向一定角度（如45°），在探测到前方无障碍物后，向相反方向转向，回到原来路线，其流程图如图5所示。

图5 控制策略流程图

2.5 程序算法

软件综述：在本设计中软件主要的功能是负责电机前进、后退、左转、右转的速度调节；对传感器信号的采集和控制，实现机器人灵活避障；以及对液晶的初始化编程，显示机器人的运动状态等工作。在编写软件时，采取模块化设计的原则，把功能相对独立的程序做成子程序供其它程序调用。主程序主要用来对单片机及其外围模块进行初始化。主程序主要有：函数初始化子程序、电机控制程序、中断子程序、控制输出子程序。

避障模块：在机器人前进中进行避障有三种算法：靠左手边走，靠右手边走，左右相结合的前进。因为本设计所要实现的是机器人在多种环境下都能避障，在本设计中选择靠右手走算法。这样机器人基本能够适应多数环境。系统主要以传感器的探测点为出发点，在行进中探测障碍物，图6分别为主程序框图（左）及避障系统流程图（右）。

图6 避障系统流程图

（三）进度安排

本项目预期9个月完成

2012.11-2013.01，通过查阅资料和购买相关书籍进行单片机基础知识的学习，设计电路，编写控制软件，达到能够设计单片机控制机器人前进，后退及转向的能力。

2013.02-2013.04，研究传感器系统；应用Multisim、orcad、Matlab等软件进行系统仿真，构建机器人越过障碍的数学物理模型，从理论上实现越障功能；继续学习单片机知识，设计传感器信息采集及控制电路。

2013.05-2013.07，完成系统的三个部分：控制，驱动，传感，将程序写入单片机中，使之完成这一系列控制，最终实现避障功能。

（四）中期及结题预期目标

4.1 中期目标：

机器人基本动作控制程序编写完成；

电机模块设计完成，机器人能够完成基本运动；

在MATLAB等软件中实现仿真模拟；

传感器控制电路设计完成。

4.2 结题目标：

对现行机器人避障方法做出一份研究报告；

设计出一套实用的避障算法；

制作机器人实物，实现避开简单障碍物功能。

（五）经费使用计划

序号名称型号单价（元）数量总额（元）使用说明

1 单片机1

2 6 72 控制芯片

2 避障模块75 2 150 避障电路

3 电机55 3 165 机器人运动

4 小车300 1 300 机器人运动

5 机械设计及制作120 1 120 机器人运动

6 电路板制作120 2 240 电路板制作

7 其他电子元器件220 1 220 电机控制芯片等

总计：1367元

（六）主要参考文献

[1] 沈旭；潘彩霞基于AVR单片机的挖掘机器人控制系统设计 [J]. 制造业自动化 2010年14期

[2] 邓韶斌基于AVR单片机的智能移动机器人控制系统研究与实现 [J]. 南京航空航天大学硕士 2009年12月01日

[3] 唐颖；张凡；郭勇移动机器人的超声波测距传感器设计 [J]. 传感技术学报 2010年11期

[4] 刘海峰；王娜用AVR单片机实现步行机器人的设计 [J]. 科技信息 2011年21期

[5] 张宏；王德合基于AT89C51单片机设计的简易智能机器人 [J]. 电子工程师 2006年09期

[6] 李磊；叶涛；谭民；陈细军移动机器人技术研究现状与未来机器人 [J]. 2002年05期

[7] 郭戈；胡征峰；董江辉移动机器人导航与定位技术 [J]. 微计算机信息 2003年19卷08期

[8] 陆翔宇；李建军智能探路车的设计 [J]. 自动化与仪器仪表 2004年01期

[9] 郭庆伟；姚尚绩；蒋玉娟基于Mega128单片机简易智能机器人的设计 [J]. 企业科技与发展 2008年12期