智能寻迹避障机器人设计（第一章）

1 绪论

1.1 研究背景及意义

伴随着社会经济的日益发展，汽车价格时续走低，汽车便成了人们出行工具的首先。汽车的使用总量也逐年创新高，因而交通拥堵情况随处可见，撞车事件时常发生，造成的人员伤亡数不胜数。根据不完全的数据统计，近10以来，全球年平均有125多万人在汽车交通事故中丧生，其受伤人数大约有4800万人。其交通事故不仅造成了惨重的人员伤亡，也造成了巨大的经济方面损失。据统计，近10年以来，全球年均交通事故所造成的经济损失为3.5万亿元左右，并且这个数据还逐年呈现上升的趋势。根据权威人士的报道，在2005年到2021年期间，某一些发达国家汽车交通事故死亡人数将下降约25%；相反一些最不发达国家和一些发展中国家则将会大幅上升，其中最主要原因是昂贵的汽车安全性能大幅度的提高，发达国家对汽车安全性的监管也越来越严格。鉴于以上情况，最不发达国家和发展中国家都把汽车的安全问题列为急需解决的任务，一些最不发达国家和一些发展中国家都为此制定了一些相应的政策及目标。可见，全球在汽车安全方面的重视程度都是一样的。

随着交通事故逐年增多，汽车安全话题穷出不尽。其中，汽车安全智能辅助系统为保障驾乘人员安全方面有重大突破。比如：Eye Car 技术、CamCar 技术、SensorCar 技术、预防驾驶疲劳、防碰撞安全系统等。这些智能辅助系统的出现主要是为了保护驾乘人员的人身安全以及财产安全，主要通过利用多种不同性能传感器对外界环境精确获取，如利用高清摄像头减少车辆盲区；利用超声波传感器获取实时车距；利用重力传感器在紧急刹车时弹出安全气囊保证驾乘人员的人身安全等等。因此，可通过这些技术设计一款不管是在强光还是黑暗等恶劣环境下都能准确无误测量障碍物距离，帮助司机获取准确的安全距离的汽车。至此，该智能汽车的锥形诞生了。其中，该汽车的寻迹解决了导航失灵，夜间识错误司机忘路的情况；避障则可在紧急情况下开启，让车安全的避开撞墙，撞车的危险；跟随则可以解决跟车危险的问题。这样多智能的小车将会成为一些未来汽车的发展方向；而遥控清障则在一些灾难正在发生中的危险地带也可以实现遥控清障，这样的智能小车为未来的智能工程车提供了一些可参考的实验价值。

虽然本课题是以小车形式来模拟汽车进行，但等到其技术发展成熟后，其智能设备便会再应用到真车中，从而使汽车更安全可靠。

1.2 国内外发展及研究现状

早期，关于寻迹主要是通过指南针或者某一参照物，误差范围较大；关于避障和跟随主要是通过眼睛观察来完成，在一些肉眼观察不到的地方这些功能就无法体现了；关于测距主要是通过尺子进行手工测量，虽然这种方法使用工具随处可见，而且测量难度不大，但由于测量方式方法不同会造成一定的误差，并且对于远距离测量工作量大，难度高，精确性低；关于清障主要则是用手工搬运，效率极低。

而随着电子技术的高速发展，这些难题得到了解决，寻迹避障测距跟随都可以采用摄像头进行识别，系统配对，也可以用红外传感器实现，根据反射光线来判断。不过，在一些要求高精度的地方，避障和测距常常使用超声波来进行；清障一般有液压式、气动式、电动式、机械式机械臂实现，下面就来谈谈这些技术在国内外的发展历程。

1.2.1国外发展及研究现状

在国外，最早寻迹机器人和现在的利用红外传感器设计的寻迹机器人大同小异，都是巧妙利用红外光信号反射原理来完成的。到了20世纪60年代以后，随着图形处理技术的提高，寻迹更青睐于使用摄像头寻迹，其中有美国的斯坦福大学所研制的沙基自主式机器人，其机器人经过摄像头获取信息，并通过计算机完成图形识别处理完成寻迹。现下，很多的寻迹机器人都是在这二种机器人基础下实现的。而测距机器人，最开始的运用于美国的火星探测器索杰纳上，该机器人主要由5台激光测距仪来侦察周围的环境信息，并且可以自主完成测距避障功能。此后，美国还研制出了一款型号为 F6A的遥控 排爆机器人，该机器人可应用各种高危场所，如排弹查污，其机器人主要优点在于可以自动避障，可以及时有效的避免机器应碰撞而带来的伤害。在2001年以前，超声波测距最大的问题在于精度不高，抗干扰能力不强，这时，美国的一个团队利用峰值检测系统来进行超声波测距，该系统大大提高了超声波测距的精度，并且提升了其抗干扰能力，这个设计使得避障测距变得更简便。在机械手方面，最早产生的应该是示教型工业机械臂，该机械臂是由美国人设计的，通过对控制中心演示相关的动作，然后控制中心持续通过伺服电机控制机械臂的关节运动，进入重复这个动作。这就是所谓示教再现机器人，该机器人不管是在过去还是现在乃至将来都是众多工业生产的不二之选，该机械臂主要有能耗低、操作简单、性价比高等优点，唯一不足的是其精确度极低。为了解决精确度低的问题，经过科学家不断地努力，在1958年机械手铆接机器人诞生了。该机械臂的结构是根据人的手臂加手掌设计的，抓取物体跟利用人手原理类似。该机器人的诞生大大地替代了人类一些繁重的工作，常常应用于机械制造业、冶金行业、电子行业、轻工业等部门。在1993年，乌克兰戈道斯申请一个叫做机械臂链接手术器械的专利。该机械臂主要有控制器和手柄完成，该手柄可以控制机械臂做一些高难度的工作，精确度非常高，常用于一些外科手术。

1.2.2国内发展与研究现状

在国内，2007 年，田志宏设计了一款智能避障轮椅，该轮椅主要是通过多组不同方向的超声波传感器进行智能避障，控制中心利用各方向反射回来的超声波进行逻辑判断，控制轮椅巧妙的避开各个障碍物，进而保证乘坐人员的安全，该轮椅的出现意在帮助行动不便之人。2010 年，渠笑纳与刘欣一起开发了一个测距停车辅助系统，该系统主要是将超声波测距安装在汽车尾部，当汽车启动时便可以开启实时测距模式，在该模式下超声波会实时采集障碍物的距离，并传输到汽车里显示。除了这些常见的超声波避障测距还有一种常见的测距避障法，除此之外这方法还能用于跟随，该方法主要是通过红外传感器实现的，比如：刘俊畅等人设计的一款智能小车，该小车利用三个红外传感器，并把这三个红外传感器分别成60度角安装，进而可以对180度的方向进行避障。聂茹使用红外对管设计的避障小车，当有障碍物进到小车的红外对管测量范围里面时，发射的红外线便会被障碍物反弹回来，而当红外接收端接收到反射回来的红外线时，智能小车便会判定前方有障碍物，从而根据根据所设定的算法完成避障。强彦等人设计了一款双路交叉避障测距的智能小车，即把二个红外传感器非平行车头安装在车头二侧，进而实现交叉测距。李成伟等人研究的码垛机器人，主要组由:固定底坐模块、连杆模块、连杆臂模块、臂部模块、腕部模块以及执行器构成，常用抓取物品、装货、卸货、安装大型器件等等。

1.3 本文主要内容

现如今，很多工程车功能单一，一个小地方往往需要好几辆工程车配合才能完成相应的工作。鉴于此，本课题设计了一款智能寻迹，避障，测距，跟随，清障一体的智能机器人，该机器人使用Arduino UNO主板为控制主板，Atmega328P为主控芯片，通过两路红外传感器完成寻迹功能；通过一个舵机和超声波传感器完成避障功能；通过超声波传感器和HC-05蓝牙模块实现手机APP测距功能；通过两路红外传感器和超声波传感器完成智能跟随功能；通过红外遥控器或者手机APP完成四个舵机机械臂清障或者搬运物体功能。

在使用该机器人时，寻迹和避障可以在夜间或者照明不良的情况下行驶，降低安全隐患；在不确定跟车距离时候可以打开测距观看或者测量前面障碍物距离；在跟随模式下则解决现实生活中因偏离路线而造成的各种危险和不必要的损失；而机械臂则可以用来搬运物体或者清除障碍物。

1.4本章小结

   本章主要对汽车安全的调查以及未来汽车智能发展方向展开论述，通过多个案列推比论证得出：未来的汽车将会朝着安全、智能方向优化出发。因此，可以用一系列的智能小车验证其技术智能性和安全性，待其技术成熟后便可以运用到汽车上来了，从而确保其技术的安全可靠。可见，从一方面来说，智能小车将是未来智能汽车的“先驱者”。作为“先驱者”首先也要能把设想的技术变成现实，不然设想终将是空想。因此，针对本课题所遇到的问题该如何解决进行一系列挖掘，最终参照国内外一些智者提出的问题和解决方案进行了一系列的收集，最后制定了一套明确的设计方案