机器人避障超声波测距系统（软件）
一 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着科技的高速发展，一种新的、有蓬勃生命力的智能机器人已经出现，正在给人们的生活带来越来越多的惊喜，同时也使人们的生活变得越来越舒适和安逸。智能机器人越来越受到企业和商业界的重视，这主要因其广大市场和巨大利润所至。智能机器人的出现主要有两个原因：一是劳动成本的上升；另一个是人们想摆脱令人烦恼枯燥的工作；如超市定点巡逻，可以利用机器人代替人们自身对整个超市进行定时定点巡逻监测。要想机器人在移动过程中的路径准确，就必须将其安装测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。[15]
本课题设计是基于AT89C52单片机进行的。单片机技术的应用，是许多领域的技术水平和自动化程度得以大大提高。当今世界也正面临着一场以单片机技术为标志的新革命，人们渴望迅速进入单片机应用与开发的大门。随着人们物质文化的丰富，各种电子产品开发也越来越先进，越来越迅速。在超声波测距领域，为缩短开发周期、提高测距精度，单片机因为具有集成度高、运算速度快、体积小、运行速度快、体积小、运行可靠、工耗低等无与伦比的优势，以得到了广泛的应用。当前，微型控制器正向两个方向发展，一个是高功能，多功能方向。从这个方向取得的成就使得微型控制器逐步代替了价格昂，功能优越的中小型机；另一个是价格低廉，功能单一的方向，这个方
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向的发展是微型控制器在生产领域、服务部门和日常生活得到越来越广泛的应用。[1][11]
目前我国的机器人避障的测距的研究和开发还处于起步阶段，还没有产业化。另外，本课题的研究内容也适用于无人自动化工厂的自动导航小车以及移动机器人的路径规划。由于机器人应用从制造业向非制造业的扩展，自主移动机器人智能机器人在诸如野外作业、深海探测、以及一些人类本身所不能进入的有毒或高温环境的作业中，有着广泛的应用前景，因此，近年来，有关移动机器人导航避障及路径规划的研究越来越多，就此而言，本课题的研究也是很有意义的。[16]
1.2 机器人超声波测距的发展现状和应用
人类采用仿生学，人工发射出超声波。目前，超声波已在民用及国防工业中。例如：用超声波探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状和位置。利用超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射来确定物体的内部损伤（如裂缝、气孔及杂质等）位置，称之为无损探伤。利用超声波测距辅助机器人确定机器人自身位置和环境识别，从而准确避开障碍物按照预先规划好的行进方向行进来完成预定任务。在汽车防撞雷达中，由于超声波测距具有高数据率，能快速显示行驶汽车与障碍物之间距，提醒司机注意减速刹车，保证行驶安全。另外，还应用于矿井探测、液面探测、大地测量以及水利工程等领域。超声波是一种非接触式检测方式，和红外、激光及无线电测距相比，超声波具有不
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受光线影响，结构和操作简单，成本低等特点。采用高精度视觉识别环境技术需要复杂的信息处理，且体积大，价格昂贵。对于体积较小成本较低的机器人，这些特点尤为突出，相比之下，超声波测距的特点弥补了以上不足，在许多情况下能很好的完成探测任务。因此超声波测距得以广泛的推广。另外用超声波阵列来识别反射物的类型（如平面、边缘和墙角）为其新应用。[3]
超声波虽然被大量用于各种工业领域，但它在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距条件下会产生相互影响，另外测距的盲区较大，这些固有的特点也限制其进一步广泛应用。
国外在提高超声波测距性能方面做了大量的研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波的研究主要集中在提高超声波精度，减小多超声波测距时相互影响这两个方面。超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间的精度和超声波在介质中的传输速度，两者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或将两者结合起来的方法是主要降低探测传输时间不确定的方法。
国内厦门大学的童风研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波的传输时间的精度得到了很大的提高。不过因为需要经过两次探测后才能得到回波的包络，且计算包络需要一些信息处理时间，这样盲区较大为2.5m，日本三菱电器公司的Tomonori等人是采用两种不同的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波的相位来决定回
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波的起点，也提高了传播时间的精度，从而提高了超声波的测量精度。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境的噪声进行估测，设置一定的回波开门电平，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高超声波传播时间的精度，这些方法都取得了较好的效果，但是这些技术都是以牺牲实时性，增长处理时间同时增加传感器成本和体积为代价的，所以体积较大，价格较高。在某些应用场合，不需要非常高的精度，但需要较小的体积和小的盲区且成本较低。
1.3 本课题内容
本课题的内容按章节大致可以分四个方面：
（1）了解机器人避障超声波测距的研究背景，提出课题的研究意义，指出了用超声波测距比其他测距方法相比有其自身的优势：技术难度相对不太大、指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播的距离较远、不受光线和被测对象颜色等的影响。另外还指出了机器人超声波测距国内外的发展现状及应用。
（2）对测距技术进行研究，就当前比较流行的激光测距技术和超声波测距技术的原理进行探讨，比较两种测距的优缺点，针对本课题的实际，提出采用超声波测距的优势所在。提出系统硬件设计方案。 （3） 简单介绍了单片机的编程语言—C51语言。然后针对本课题提
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