基于超声波的盲人导航系统设计文献综述(毕设)

文献综述

课题：基于超声波的盲人导航系统设计姓名：

班级：

学号：

学院：

指导老师：

盲人导航机器人的发展状况

1 前言

1.1 选题背景

我国是世界上盲人最多的国家，约有500万盲人，占全世界盲人总数的18%。我国盲人目前的导盲辅助普遍是普通拐杖，随着科技的快速发展，这种落后的导盲

辅具已经无法满足现代化生活的需要，盲人发生交通事故的事件也屡屡发生。因此

设计一种基于超声波的盲人导航系统具有十分重要的意义。

1.2 课题背景

现代的机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感器技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高技术，集成了多学科的发展成果，代表了高

科技的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。而移动机器人是机器人学中的一个

重要分支，且随着传感器技术、计算机科学、人工智能及其他相关学科的迅速发展，移动机器人正向着智能化和多样化方向发展，它的应用也越来越广泛，几乎渗透到

所有领域。而在移动机器人相关技术研究中，导航技术是其研究核心，也是移动机

器人实现智能化及完全自主的关键技术。

智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模

式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或

是更高的目标。本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析

方法及特色与创新点等。超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智

能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据

一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义。

2 导航机器人的历程

机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力, 而且还具有独立判断和行动的能力。英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。 20世纪70年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了，除工农业生产外，机器人应用到各行各业，机器人已具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化方向发展的道路，是没有止境的。机器人是虽然外表可能不像人，也不以人类的方式操作，但可以代替人力自动工作的机器。

日本在20世纪60年代和美国都在开始进行机器人的研究，由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到

了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。

目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。总体情况看，日本在工业机器人这

一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本。

3 导航机器人的主要技术

3.1超声波测距避障原理

通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波

在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差

△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 。超声波发射端在单片机前置电路的驱动下工作，接收端的信号放大、整形后在刀片机的中端口产生中断，通过发射和接收的时间计算出小车与障碍物的相对距离。

算法设计：机器人运动时，信号发射器每隔一定时间发出等距的信号。如果在该距离中有障碍物，接收器会接收到反射超声波，发亏信息为高电压（1），否则

为低电压。因此，当反馈信息为1时，小车做“向后”，“向左”，“向右”，“向前”的机动动作。代码实现通过Basic语言完成。

3.2 超声波的定位

定位是确定移动机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位置及其本身的姿态，是移动机器人导航的最基本环节，有绝对定位技术和相对定位技术之分。相对定位技术优点是具有良好的短期精度、低廉的价格以及较高的采样速率，但由于相对定位技术的基本思路都是基于测量值的积累，因而无法避免时间漂移问题，随着路径的增长，任何小的误差经过积累都会无限增加。因此，相对定位不适于长距离和长时间的准确定位；绝对定位技术中比较成熟的有全球定位系统、路标定位和地图匹配定位，其中路标定位是一种常见的定位技术，它首先在移动机器人的工作环境里设置一些坐标已知的路标，如超声波发射器、激光反射板以及自然物体等，然后通过机器人自身的传感器探测周围环境，并利用感知到的局部信息进行局部地图构造，最后将这个局部地图与预先存储的完整地图进行比较，如果该两地图相互匹配，就能计算出机器人在工作环境中的位置与方向，实现定位。