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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 基于单片机家用机器人的自主移动控制系统研究 姓名：杨华栋 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：段智敏 2011 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 本课题以移动机器人为背景，对家用移动机器人模糊控制避障算法和路径规划问题 进行深入研究和实验验证，确定了基于行为的避障控制方法，并且对机器人硬件结构与 运动学模型进行了分析与论证。 本文主要从控制模块、感知系统、步进电机驱动模块和电源系统四个方面对移动机 器人的基本结构进行了详细的分析设计。考虑到运动控制的难点，重点研究了家用移动 机器人控制系统的设计、感知模块设计、模糊控制器的设计及模糊控制在家用机器人避 障中的应用。
2、实现了对超声波对障碍物距离的检测并发出控制指令等功能。使用三组超 声波传感器分时对家用机器人周围的环境进行探测， 利用单片机对障碍物信息进行分析 处理，通过改进的模糊控制算法来完成障碍物信息识别与处理，实现了家用移动机器人 的自主避障。 最后，对部分功能进行了调试，所设计的超声波传感器系统可实现对周围环境障碍 物的探测，障碍物判别系统将能够保障自动导航机器人的安全行驶。该系统运行稳定， 基本达到了预期研究的目的。 关键词：模糊控制，超声传感器测距模块，避障，移动机器人 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract This topic in mobile robot as background,
3、 for home mobile robot obstacle avoidance algorithm and fuzzy control path planning problem for further research and experiment, determined based on behavior obstacle-avoidance control method, and the hardware structure and the robot kinematics model analyses and demonstrates. This article mainly fr
4、om the control module, perceptual system, stepping motor driver module and power system four aspects the basic structure of mobile robot were analyzed in detail design. Considering the difficulty of movement control, focus on the domestic mobile robot control system design, data acquisition module d
5、esign, the design of fuzzy controller and fuzzy control in household robot obstacle avoidance of application. Realize the ultrasonic testing of obstacle distance and send out control instruction, and other functions. Using three groups of ultrasonic sensors time-sharing for home robot surrounding en
6、vironment, detection of obstacles using single chip computer information analyze and process through improved fuzzy control algorithm to complete obstacles information to identify and handle, realized the domestic mobile robot autonomous obstacle-avoiding. Finally, the partial function has been debu
7、gged, the design of ultrasonic sensor system can realize the surrounding environment obstacles detecting, and obstacles discriminant system will be automatic navigation robot that can ensure the safe driving. This system is stable; basic is expected to reach the purpose of the research. Keywords: Fu
8、zzy control, Ultrasonic sensors, Obstacle avoidance, Mobile robot 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 机器人作为二十世纪人类最伟大的发明之一，从问世以来，经历几十年的发展已取 得长足的进步。尤其是随着微处理器的诞生，机器人步入了现代机器人的时代，也使机 器人跨入应用阶段，推动了机器人学得到迅速发展。当前机器人学已发展成为一门侧重 于综合的工程科学，其涵盖范围包括：计算机科学、控制理论、电子学、传感技术、机 械工程、 人工智能、 模式识别等多种学科。 机器人延伸和扩展了人的手脚和大脑的功能，
9、扩大了人的活动范围，具有许多优良特性。机器人的出现极大的推动了工业生产、航空 航天、军事、医疗等领域的发展，也极大地便利了人们的生产生活。为了更好地适应复 杂环境下的导航，自主避障的功能就显得尤为重要，避障功能是代表移动机器人智能化 的不可或缺的关键性能指标。 因此自主避障的研究对于推动和发展机器人技术有着较强 的现实意义。 国内移动机器人的研究起步较晚，但通过对国外机器人平台的引进和自主开发，现 在已取得很大进展。 很多著名高校和研究机构对移动机器人各方面的功能展开了广泛的 研究。国防科技大学的全自主无人驾驶汽车，以实时并行程序结构、实时局部路径规划 以及驾驶智能控制等为其突出的特点。该车在
10、高速公路上的最高时速可达 75.6 公里， 能够自主完成点火、起步、换档、停车等操作，并根据道路情况主动增减油门和进行加 减档。目前国内研制的机器人己取得长足进步，功能也更加完善，但距离世界先进水平 还是有一定的差距，需要我们进一步深入的研究。 国外移动机器人的研究开展较早，开始于二十世纪六十年代末期。美国斯坦福研究 院在一九六六年至一九七二年中开发出了取名 Shkaye 的移动机器人。目的是研究应用 人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。它装载有视觉、距 离和碰撞传感器，图像处理和任务规划由远程的计算机进行处理，两者间由无线电通信 连接。七十年代在移动机器人研究领域较为
11、知名的成果包括:美国加州理工大学研制的 沈阳理工大学硕士学位论文 -2- 应用于宇航领域的移动机器人和法国 LAAS 的机器人和人工智能研究小组开发的 Hiaer 移动机器人。九十年代以来，对移动机器人的研究进入了更高层次，研究的内容主要集 中在研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术、 和真实环境下的路径规划技术等。 1.2 机器人技术发展简介 机器人技术的发展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。 机 器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息 和传感技术、人工智能、仿生学等 多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前
12、沿，是当前 科学研究的热点之一。自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义。移 动机器人学是机器人学的一个重要分支，其研究工作始于世纪年代。对移动机器人的研 究，要考虑机器人的移动方式，以使机器人达到预期的行为最后还要考虑机器人的避障 或路径规划，这要涉及诸如传感器的信息融合、图象处理、模式识别、神经网络、环境 映射等知识。其应用范围和功能都大为提高和拓展，因而在工业、国防、服务行业得到 广泛的应用，对其研究也越来越受重视。 1.3 超声波传感器技术 超声波传感器向空气中发射超声波，探测来自某个物体的反射波。超声波传感器具 有多种用途，如防盗报警系统、汽车倒车传感器以及各种电子设备的
13、遥控装置。随着信 息处理技术的迅猛发展，新的超声波传感器应用领域，如工厂自动化设备和汽车用电子 设备，我国近年来也在超声测距、导航方面开展了一些研究。未来的应用中，超声波将 与信息技术、 新材料技术结合起来， 定会出现更多的智能化、 高灵敏度的超声波传感器， 超声传感器能在黑暗中工作，而且其结构简单、体积小、性价比高，因此目前移动机器 人实时避障中比较多的是采用超声波传感器作为环境的感知设备。 1.4 模糊控制技术 模糊逻辑控制 1 (Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊 集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。
14、1965 年，美 国的 L.A.ZadehgzJ 立了模糊集合论；1973 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定 理。1974 年，英国的 E.H.Mamdani 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于 第 1 章 绪论 -3- 锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功，模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于 智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背 景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到 了迅速而广泛的推广应用。近 20 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长 足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又
15、硕果累累的分支。模糊控制以模糊集 合的理论为基础，对于每一个元素 X，表示在给定论域上 z 属于集合 Z 的程度，称为隶 属度。模糊推理系统的基本结构由 4 个重要部件组成 ：知识库、推理单元、模糊化输 入接口与去模糊化输出接口。 1.5 本课题研究的主要工作和预期目标 本课题的研究属于机器人智能控制方面的内容。 采用的研究方案是先提出避障的控 制算法和路径规划问题，然后通过计算机仿真来验证方案的可行性，最后应用实物加以 验证。 本课题的研究主要包括以下主要内容： 第一，确定移动机器人的结构模型和运动模型。 第二，设计并制作外环境探测模块，用 3 组超声波传感器对移动机器人周围环境障 碍物信息
16、进行探测,以得到较完整的有用的障碍区距离信息。 第三，研究并确定移动机器人的避障方法及其控制算法。对移动小车的各个模块的 设计原理和实现方法做了详细的介绍。 第四，通过计算机仿真确立方案的可行性,并应用实物（轮式移动机器人）进行试 验。 本课题的预期目标是实现移动机器人的自主实时避障。 本文的主要内容分为五章，安排如下： 第 1 章:介绍家用机器人的发展现状， 指出本文的主要研究内容和研究的主要方法。 第 2 章:介绍家用机器人的运动结构和运动模型，通过对运动机构的比较分析，确 定了移动小车的结构模型，并在此基础上分析了移动小车的运动方程，使小车的运动模 型从理论到实践有机的联系起来。 第 3 章:主要研究了家用机器人的硬件设计，阐述选择控制器的理由，列举控制器 的优特点，依次详细介绍移动小车的感知系统、电源系统、步进电机的驱动模块等的设 沈阳理工大学硕士学位论文 -4- 计方法。
