基于超聲波移動機器人的設計與分析

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。 本次課題研究的內(nèi)容是基于超聲波移動機器人的設計與分析。本文的設計內(nèi)容包括：</p><p>　　1. 機械結構設計：機器人采用兩輪獨立驅動的輪式結

2、構，動力源采用直流無刷電機，減速和傳動裝置采用皮帶傳動，利用差速移動平臺實現(xiàn)機器人的轉向，選用增量式光電編碼器進行對機器人速度的檢測，實現(xiàn)機器人的定位。</p><p>　　2. 傳感器部分：使用超聲波傳感器作為機器人主傳感器，超聲波傳感器位于機器人的傳感器層，采用一個超聲波環(huán)提高機器人測距的精度。超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物反射回來，由超聲波接收器接收超聲波信號，獲取機器人的外部信息。</p

3、><p>　　3.控制系統(tǒng)設計：控制部分采用AT89C51型號單片機進行接受命令和產(chǎn)生驅動信號，電機的驅動部分采用L298控制芯片，芯片利用接受到的單片機發(fā)出的信號來控制電機的轉速。超聲波接收器接收到信號后，經(jīng)由單片機進行分析運算，得出機器人與障礙物之間的距離，然后單片機發(fā)出信號控制電機的轉速發(fā)生改變，使得移動機器人可以自主地改變行進路線，實現(xiàn)了機器人的避障算法。</p><p>　　關鍵詞：

4、移動機器人，超聲波，單片機，運動控制，避障。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Robot is an automated machine, the difference is that this machine has some similarities with the human or biological intelli

5、gence, such as perception, planning ability, motor ability, and collaboration capabilities, is a highly flexible automated machines. The content of this research project is based on ultrasonic Mobile Robot Design and Ana

6、lysis. This design includes: </p><p>　　1.Mechanical structure design: robots with two independently driven wheel structure, the power source using brushless DC motor, gear reducer and belt drive by using the

7、 differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. </p><p>　　2.Sensor parts: the robot uses ultrasonic sensors as the primar

8、y sensor, ultrasonic sensor in the robot's sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot. Send ultrasonic ultrasonic transmitter and ultrasonic obstacle reflected back

9、 by the ultrasonic receiver receives ultrasonic signals to obtain the robot's external information. </p><p>　　3.Control System: Control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving order

10、s and generate drive signal, the motor drive control part is L298 chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. Ultrasonic signal received by the receiver, the analysis by microcomputer op

11、eration, obtained the distance between the robot and obstacles, and then signal the microcontroller to change the motor control, making autonomous mobile robot can change the route of the</p><p>　　Keywords:

12、Mobile Robot, ultrasound, MCU, motion control, obstacle avoidance.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>&

13、lt;b>　　前 言1</b></p><p>　　1 移動機器人概述2</p><p>　　1.1 機器人的研究歷史2</p><p>　　1.2 移動機器人的意義4</p><p>　　1.3 移動機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀5</p><p>　　2 超聲波移動機器人設計方案的確定9&

14、lt;/p><p>　　2.1 超聲波移動機器人機械結構設計方案9</p><p>　　2.2 超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設計方案10</p><p>　　2.3 移動機器人的超聲波系統(tǒng)設計方案11</p><p>　　2.4 移動機器人方案總結12</p><p>　　3 超聲波移動機器人機械機構設計13<

15、/p><p>　　3.1 電動機的確定13</p><p>　　3.2 減速器的確定13</p><p>　　3.3 機器人連接方式的確定16</p><p>　　4 超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設計18</p><p>　　4.1 機器人的運動學方程18</p><p>　　4.2 單片機控

16、制系統(tǒng)20</p><p>　　4.3 電機驅動電路系統(tǒng)21</p><p>　　5 超聲波測距算法23</p><p>　　5.1 超聲波應用的可行性23</p><p>　　5.2 超聲波的產(chǎn)生和接收23</p><p>　　5.3 超聲波的傳輸特性25</p><p>　　5.

17、4 超聲波測距原理26</p><p>　　5.5 計算超聲波傳播時間27</p><p>　　5.6 測渡越時間測量法27</p><p>　　5.7 超聲波測距誤差分析28</p><p><b>　　結 論30</b></p><p><b>　　致 謝31

18、</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　附錄一33</b></p><p><b>　　附錄二36</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p

19、>　　隨著機器人技術的發(fā)展，自主移動機器人以其靈活性和智能性等特點，在人們的生產(chǎn)生活中應用越來越廣泛。自主移動機器人通過各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，在復雜的已知或未知環(huán)境中自主移動并完成相應的任務。</p><p>　　當前機器人常用的傳感器包括有超聲波、紅外、視覺傳感器、激光、味覺傳感器等等。而在多種傳感器中，紅外測距距離偏小，視覺傳感器不能顯示距離，激光和雷達測距儀造價偏高，不利于廣泛的普及應

20、用，在某些應用領域有其局限性。相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點:</p><p>　　1）超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標的距離；</p><p>　　2）超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)；</p><p>　　3）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可

21、用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中；</p><p>　　4）超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測和識別的手段，已越來越引起人們的重視。在機器人避障、導航系統(tǒng)、機械加工自動化裝配及檢測、自動測距、無損檢測、超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測井、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應用。</p><

22、p>　　利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波（20kHz以上的機械波），借助空氣媒質的傳播，由被逮捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質或障礙物位置的方法，超聲波測距系統(tǒng)實際上也正是一種仿生學的應用。</p><p><b>　　移動機器人概述</b></p>

23、;<p><b>　　機器人的研究歷史</b></p><p>　　早期機器人【1】的出現(xiàn)是為了實現(xiàn)工業(yè)自動化，而機器人被廣泛的應用的也正是工業(yè)發(fā)展迅速的體現(xiàn)。隨著人類生活水平的提高，室內(nèi)機器人也逐漸地進入人們的視線，室內(nèi)機器人以其體積小、靈活、自主移動等特點廣泛的被人們接受，這時服務機器人大量的踴躍出現(xiàn)：用于醫(yī)院的醫(yī)療服務機器人，用于旅游的導游機器人，用于商場的導購機器人，這

24、些機器人的出現(xiàn)使得人們的生活變得更加豐富多彩。</p><p>　　工業(yè)機器人的發(fā)展過程</p><p>　　早在1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠“Unimation公司”。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 1962年到1963年之間，傳感器的應用提高了機器人的可操

25、作性，人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，其中包括：</p><p>　　1. 1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，將觸覺傳感器放置于機器人的機械手上，是機器人具有感知觸覺的能力。</p><p>　　2. 1962年托莫維奇和博尼在世界上最早的“靈巧手”機器人上用到了壓力傳感器。</p><p>　　3. 麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，

26、并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。</p><p>　　4. 1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。</p><p>　　5.20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起

27、研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。</p><p>　　移動機器人的發(fā)展過程</p><p>　　智能移動機器人【2】更加強調(diào)了機器人具有的移動能力，從而面臨比固定式機器人更為復雜的不確定性環(huán)境，也增加了智能系統(tǒng)的設計復雜度。</p><p>　　1．1968年到1972年間，美國斯坦福國際研究所(Stanford Research Inst

28、itute, SRI)研制了移動式機器人Shakey,這是首臺采用了人工智能學的移動機器人。Shakey具備一定人工智能，能夠自主進行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(如尋找木箱并將其推到指定目的位置)。它裝備了電視攝像機、三角法測距儀、碰撞傳感器、驅動電機以及編碼器，并通過無線通訊系統(tǒng)由二臺計算機控制。當時計算機的體積龐大，但運算速度緩慢，導致Shakey往往需要數(shù)小時的時間來分析環(huán)境并規(guī)劃行動路徑。</p><

29、p>　　圖1-1 shakey</p><p>　　2.1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。</p><p>　　3．1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。</p>

30、;<p>　　4．1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。</p><p>　　5.1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。</p><

31、;p>　　6.1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。</p><p>　　7.2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。</p><p>

32、　　圖1-2 Roomba</p><p>　　隨著世界智能機器人腳步的快速前進，我國也加緊對智能機器人的研究，投入了大量的人力財力來提高國內(nèi)智能機器人的發(fā)展，本課題正是在這種國際大背景下提出的。</p><p><b>　　移動機器人的意義</b></p><p>　　移動機器人技術對一個國家來說的至關重要的，它是一個國家高科技水平和工業(yè)自動

33、化程度的重要體現(xiàn)，預示著一個國家生產(chǎn)力水平和綜合國力的發(fā)展方向。一個高端的機器人涉及到的技術包括：機械加工技術、傳感器技術、信息處理技術、通信技術、自動控制技術、電子技術、機器視覺以及計算機技術等等，因此完全可以說機器人技術的發(fā)展帶動了整個人類社會的發(fā)展【3】。</p><p>　　如今移動機器人在世界范圍內(nèi)有著良好的應用前景，在人類生活、軍事應用、社會發(fā)展與科學研究中都有移動機器人的身影，尤其是隨著人們生活水平

34、的提高，移動機器人已經(jīng)走入了我們的生活，例如：</p><p>　　1）在家里，服務型的室內(nèi)機器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護理與服務等作業(yè)；</p><p>　　2）在醫(yī)院，移動機器人可以從事手術、化驗、助殘、導盲、運輸、康復及病人護理等作業(yè)；</p><p>　　3）在商場和旅游中，導購機器人、導游機器人和表演機器人能夠使得人類生活變得豐富多彩；&l

35、t;/p><p>　　4）在軍事中，爆破，排爆機器人可以使軍事行動較為安全，偵察機器人可以掌握敵軍信息等【4】。</p><p>　　因此智能移動機器人已經(jīng)成為未來社會非常有競爭力的產(chǎn)業(yè)，誰可以掌握室內(nèi)移動機器人的關鍵技術，誰就可以引領世界的潮流。所以我國對移動機器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對機器人的開發(fā)與應用才能走在時代的前列。</p><p>　　本文研究基

36、于超聲波的移動機器人正是考慮到超聲波測距移動機器人在未來社會的發(fā)展前景。我相信隨著計算機處理技術的提高、微電子技術的進步以及機器人對超聲波信息處理理論與方法的逐漸完善，機器人的超聲波功能將越來越強大。</p><p>　　移動機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　移動機器人在多年的生產(chǎn)使用中，被世界公認最具有發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值，在科研界也成為了機器人研究領域的一個重要分支。</p

37、><p>　　國外機器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　移動機器人最早是在國外發(fā)展起來的，所以各項技術較為純熟，機器人的水平也相對較高。早在上個世紀八十年代，世界各國為了大力發(fā)展機器人技術，紛紛展開了各項計劃，例如：</p><p>　　1.美國國防部DARPA的支助下，由CMU， Standford大學和MIT等單位開展的ALV研究；能源部制定的為期l0年的機器人和智

38、能系統(tǒng)計劃，以及后來的空間機器人計劃；</p><p>　　2．日本通產(chǎn)省的極限環(huán)境下作業(yè)機器人計劃和人形機器人計劃；</p><p>　　3．歐洲尤里卡中心的機器人計劃等，都體現(xiàn)了國外對智能移動機器人的重視。</p><p>　　除此之外，很多世界著名公司不惜重金，都開始投入到移動機器人的研究當中。進入九十年代后，隨著技術的迅猛發(fā)展，移動機器人向實用化、系列化、智

39、能化進軍，涌現(xiàn)出許許多多智能移動機器人。如CMU的Navlab系列移動機器人系統(tǒng)；德國Vamors—P和Caravel1e系統(tǒng)；日本本田公司的P系列和ASIMO人型機器人；日本索尼的SDR一3X人型機器人和AIBO娛樂型機器人等代表著移動機器人各個方面的先進研究成果。</p><p>　　如今機器人的發(fā)展越來越迅速，世界上涌現(xiàn)了如日本，美國，德國等一些機器人強國，他們的研究成果標志著世界最頂端的技術。</p

40、><p>　　1）日本的移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 日本智能移動機器人，現(xiàn)階段處于世界領先水平，例如在2002年3月公開的HRP-2人型機器人平臺，其直立高度約有5英尺，重量接近128磅，有30個自由度。HRP-2是為和人一同工作而設計，它可以和一個人合抬一塊大木板，透過感應另一端由人施加的力和方向來掌握平衡；倘若跌倒亦能毫發(fā)無傷地再站起來，這是完成日常任務的一個基本能力。HRP-2公開之后快速進入商業(yè)領域，合作開發(fā)公司

41、之一的Kawada曾經(jīng)出租這種機器人，作為實驗室的研發(fā)平臺。為鼓勵更多的機器人應用開發(fā)，AIST同東京大學聯(lián)合開發(fā)了仿真和控制軟件－擬人化機器人開放平臺（Open HRP）。</p><p>　　2007年6月產(chǎn)綜研發(fā)表了新型的“HRP-3 Promet Mk-II”。這部機器人具備防塵功能，可在濕滑的路面行走，亦可遠距離控制，或結合自主與遠距控制的操作技術以擴大其作業(yè)功能，并且能在戶外嚴苛環(huán)境中作業(yè)。未來在基礎

42、技術的穩(wěn)定性及降低成本等實用化的方向繼續(xù)開發(fā)。</p><p>　　2）美國移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 美國在這一領域一直處于領先地位。美國麻省理工學院的工程師設計出一款能懸浮在海里的潛水機器人--“奧德賽４號”。 “奧德賽４號”是麻省理工學院西格蘭實驗室研發(fā)的小型人工智能潛水裝置“奧德賽”系列中的最新一款。</p><p>　　它能在最深達6000米的水下活動，并能停留在任何水流中，適時調(diào)整

43、自己的位置。同時，它還能行駛到預先設定的任何目的地?！皧W德賽４號”不僅能簡單地觀察一個海底物體，還能像直升機那樣，在水下負重工作?，F(xiàn)在，利用這一裝置可以造訪油井、采樣并帶回到陸地上來。這款潛水機器人與其他類似裝置最大的區(qū)別在于它能在水中垂直下沉。此外，它的速度非?？欤棵肽芤苿蛹s２米。這一研究成果將有助于海洋學家、石油公司和海洋考古學家的工作。</p><p>　　圖1-3 奧德賽４號</p>&

44、lt;p>　　3）德國移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在06年德國世界杯上，德國政府派出了一款名為“偵探奧費羅”的反恐機器人。這款名為“偵探奧費羅”的機器人是一款游動的高智能安全機器人，可以偵測核、生物或化學武器的威脅。機器人上安裝了最新的感應器，可以“嗅出”所有現(xiàn)今使用的戰(zhàn)爭毒氣、工業(yè)毒氣和放射性物質。這種機器人的靈活操作度使得人們可以及時且精確地采取措施。所以，在重大災難事件的迅速反應和救援等

45、方面，“偵探奧費羅”機器人能為受害者和營救人員提供更多的保護和協(xié)助。</p><p>　　毛蟲式的驅動器可以讓機器人在凹凸不平的表面保持非常靈巧的運動。“機器偵探”的全部重量是65公斤，最長可以工作12小時。適應的工作溫度是零下20℃到60℃之間。它們擁有像貓頭鷹一樣的全方位視角，探測頭可以活動360度，整合的LCD和熱紅外攝像機讓“偵探奧費羅”機器人可以在實施闖入行動之前識別潛在的違法者。而這種探測活動不會受到

46、天氣、地面情況或突發(fā)移動的影響，范圍可以達到100米。</p><p>　　圖1-4 偵探奧費羅</p><p><b>　　國內(nèi)機器人發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　我國移動機器人是從八五年開始這方面研究。同世界主要機器人大國相比，盡管我國在移動機器人的研究起步比較晚，但是發(fā)展卻是很迅速。對于一些室外移動機器人的某些關鍵技術達到了或者接

47、近國際先進水平。</p><p>　　國內(nèi)移動機器人主要研究成果如下：</p><p>　　清華大學的智能移動機器人THMR-III，V型機器人。</p><p>　　中科院沈陽自動化所的AGV自主車和防爆機器人。</p><p>　　香港城市大學的自動導航車及服務機器人。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學的導游機器

48、人。</p><p>　　中科院自動化所的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)國防科技大學的雙足機器人。</p><p>　　南京理工大學，北京理工大學，浙江大學等多所院校聯(lián)合研究的軍用室外移動機器人。</p><p>　　超聲波移動機器人設計方案的確定</p><p>　　超聲波移動機器人機械結構設計方案</p><p>

49、　　1）動力源的選擇：經(jīng)過初步考慮，對于智能移動機器人的動力源本文有以下三種選擇：直流電機、步進電機、三相交流電機。</p><p>　?、?采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅動電機，由于步進電機轉動的角度可以精確控制，所以可以實現(xiàn)機器人前進距離和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，但步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，并且力矩在較高的轉速時會急劇下降，因此不適于機器人等對速度有一定要求的設計。<

50、/p><p>　　② 采用交流電機，交流電機分為同步電機與異步電機。異步電動機按照定子相數(shù)的不同分為單項異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機結構簡單，運行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動機的主要運行方式有三種，可以作為發(fā)電機，電動機，和補償機。同步電動機主要用來發(fā)電。作為電動機使用時可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不需要調(diào)速的情況下可以提高運行效率。作為補償機器時，改變勵磁電流可以改

51、善電網(wǎng)功率因數(shù)，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機必須攜帶電源線，這對于機器人來說不太方便并且由于機器人在行駛過程中需要對速度進行調(diào)整，而交流電機無法實現(xiàn)速度的變換。</p><p>　?、?系統(tǒng)采用直流電機。直流電機分為直流有刷電機和直流無刷電機，直流有刷電機需要用到傳統(tǒng)的機械換向，不耐用，容易損壞。而直流無刷電動機是以電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電機

52、的發(fā)展方向。而且直流無刷電機是以自控式運行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。并且直流無刷電機屬靜態(tài)電機，空載電流小，還具有效率高、體積小、環(huán)保節(jié)能等眾多優(yōu)點。</p><p>　　綜上所述，本文選擇方案一直流無刷電機作為移動機器人的驅動電機。</p><p>　　2）減速方式的選擇 在智能移動機器人中可以用到的減速方式有

53、皮帶減速和齒輪減速。</p><p>　?、?采用皮帶減速。皮帶輪減速的優(yōu)點有：皮帶輪傳動能緩和載荷沖擊；皮帶輪傳動運行平穩(wěn)、低噪音、低振動；皮帶輪傳動的結構簡單，調(diào)整方便；缺點為皮帶輪傳動對于皮帶輪的制造和安裝精度不象嚙合傳動嚴格；傳動比低；皮帶輪傳動的兩軸中心距調(diào)節(jié)范圍較大，結構不緊湊。</p><p>　?、诓捎谬X輪減速。利用齒輪進行減速的優(yōu)點有：傳動精確；傳動效率高傳動比大；輸出轉

54、速恒定，無波動；缺點則為容易磨損；安裝精度要求比較高。</p><p>　　經(jīng)以上考慮本文選擇齒輪傳動作為機器人的傳動機構。</p><p>　　3） 移動方式的選擇 現(xiàn)在常用的機器人移動方式有輪式移動和履帶式移動，兩種移動方式分別用于不同的場合，輪式用于平地較多，履帶多用于崎嶇不平的路面。輪式移動機器人的優(yōu)點是：反應速度較快，可以做半徑很小的轉向，控制起來比較方便，精度較高；履帶式移動機

55、器人的與輪式移動機器人相比，結構復雜、轉向半徑小，不易控制。</p><p>　　本課題所研究的是室內(nèi)機器人，機器人不需要到崎嶇的路面上進行移動。因此，選擇輪式結構作為機器人的移動方式。 </p><p>　　移動式平臺分為差分移動平臺和導向驅動論輪式平臺，由于本次設計方案盤選用兩輪獨立驅動機構，因此選擇差分移動平臺作為移動機器人的移動方式，即利用兩個輪子轉速的不同進行轉向。</p&

56、gt;<p>　　綜上所述，選用直流無刷電機作為機器人的驅動源，皮帶減速作為機器人的減速方式，輪式移動作為機器人的移動方式，采用差分移動平臺作為機器人轉向平臺。</p><p>　　超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設計方案</p><p>　　1）控制器模塊的選擇 機器人常用的控制模塊有PLC ，單片機。其中單片機包括有8位、16位、32位。</p><p>

57、;　?、俦疚募僭O采用可編程邏輯器PLC作為控制器。PLC可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮本文放棄了此方案。</p><p>　?、谌缓蠹僭O采用Atmel公司的AT89C51單片機作為主

58、控制器。AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)供給高性價比的解決方案。且此系列的單

59、片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。</p><p>　　綜上所述，本文選擇Atmel公司的AT89C51單片機作為智能機器人的主控制器。</p><p>　　2）電機驅動模塊選擇與論證 機器人常用的電機驅動模塊有電路控制和芯片控制。</p><p>　　第一種方案，采用分立組件組成的平衡式驅動電路，這種電路可以由單片機直接對其進行操作，但由于

60、分立組件占用的空間比較大，還要配上兩個繼電器，考慮到機器人的空間問題，此方案不夠理想,本文決定放棄此方案。</p><p>　　第二種方案，采用芯片控制電機，因為機器人電機內(nèi)部裝有皮帶減速箱，考慮不需調(diào)速功能，采用市面易購的電機驅動芯片L298控制減速電機，該芯片是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正轉、反轉和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅動具有的操作

61、方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。</p><p>　　綜合以上分析與論證本文選擇方案二的驅動芯片L298作為整個智能小車系統(tǒng)的電機驅動電路。</p><p>　　3）電源模塊的選擇 由于本系統(tǒng)需要電池供電，此次設計考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。</p><p>　　方案1：采用8節(jié)1.5V干電池供電，電壓達到12V，經(jīng)穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給

62、單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，放棄了這種方案。</p><p>　　方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機供電，經(jīng)過電壓變換后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出設計的預算，因

63、此，放棄了這種方案。</p><p>　　方案3：采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于所設計的車體設計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。</p><p>　　綜上考慮，本設計選擇了方案3利用蓄電池作

64、為機器人的電源模塊。</p><p>　　移動機器人的超聲波系統(tǒng)設計方案 </p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)作為智能移動機器人的感知系統(tǒng)在當前機器人的發(fā)展領域當中有著良好的前景和發(fā)展趨勢，超聲波以其易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制等眾多優(yōu)點越來越多的被用于非接觸性測量當中。在國際范圍內(nèi)，常用的超聲波定位系統(tǒng)有：基于天花板超聲波網(wǎng)絡的移動機器人全局定位，基于超聲波塔的移動機器人全局定

65、位，基于車載超聲波發(fā)射和接受器的定位【5】。</p><p>　　第一種定位方案：基于天花板超聲波網(wǎng)絡的移動機器人全局定位。 該定位方式是機器人上有倆個超聲波發(fā)射器，利用在天花板上若干超聲波接受器在機器人移動的過程中不斷地調(diào)整機器人前進軌跡，該定位方式位置精確但需要做的準備工作量太大，比較浪費，因此放棄此方案。</p><p>　　第二種定位方案：基于超聲波塔的移動機器人全局定位。該定位方

66、式是由兩個超聲波發(fā)射器和一個紅外燈構成，在移動機器人的頂部固定安裝兩個全向超生波接收器和紅外接收器。在墻壁上安裝超聲波燈塔，并使超聲波燈塔的高度與機器人超聲波接收器的高度相同。機器人前進時利用紅外即計時超聲波測距從而得出機器人的位置。該方案同樣結構復雜，要求精度較高，成本大，因此放棄。</p><p>　　第三種定位方案：基于車載超聲波發(fā)射和接受器的定位。該方案超聲波發(fā)射器和接受裝置皆置于機器人上在機器人前進的時

67、候不斷通過超聲波的發(fā)射和接受進行避障方便快捷節(jié)省成本。</p><p>　　通過以上論證本文決定選用車載超聲波作為機器人的定位系統(tǒng) 。</p><p><b>　　移動機器人方案總結</b></p><p>　　綜上所述，移動機器人的總體方案為：選用直流無刷電機作為驅動源，利用齒輪進行傳動減速，機器人采用兩輪獨立驅動機構，采用差分驅動平臺實現(xiàn)機

68、器人的轉向?？刂葡到y(tǒng)采用AT89C51單片機作為控制機構，電機驅動芯片采用L298進行驅動，采用蓄電池對電機進行供電。超聲波系統(tǒng)采用車載超聲波發(fā)射器進行定位避障。</p><p>　　超聲波移動機器人機械機構設計</p><p><b>　　電動機的確定</b></p><p>　　從機器人是實際運動出發(fā)考慮，機器人的速度不能太快，否則會造成控

69、制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機不能及時做出反應，機器人在行進的過程中不能實現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機器人的移動速度定為V=0.6M/S。機器人因為需要負重因此最大載重量為20KG。</p><p>　　所以機器人電機克服摩擦力的功率：</p><p>　　P = F·V （3-1）</p&

70、gt;<p>　　=0.4*20*9.8*0.6</p><p><b>　　=47.04W</b></p><p>　　因為機器人是兩輪獨立驅動，所以每個電機克服摩擦的功率是23.52W，另外考慮到啟動加速、上下坡和其他自然因素，因此每個直流無刷電機的功率定位30W。進過理論和實踐證實30W的直流無算電機可以驅動總載重為20KG的機器人。</p&

71、gt;<p>　　進過篩選由北京精密電機控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的型號為BL3543的直流無刷電機最符合設計要求</p><p><b>　　減速器的確定</b></p><p>　　基于機器人底盤考慮，兩個驅動輪的半徑R=100mm。</p><p>　　機器人移動的速度為0.5M/S，</p><p>　　

72、由此可以得出，機器人在前進的過程中輪子的角速度</p><p>　　ω=V/R=300rad/min （3-2）</p><p><b>　　ω=2πn</b></p><p><b>　　所以nR/min</b></p><p>　　因為電機的輸出空載轉速最

73、高時200R/min，實際負載轉速為150R/min，所以減速比i=3符合漸開線圓柱齒輪的傳速比要求。</p><p>　　因此齒輪小輪的轉速 =150R/min （3-3）</p><p>　　根據(jù)傳動比可得大輪轉速 = （3-4）</p>

74、<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=50r/min</b></p><p><b>　　與上述計算基本吻合</b></p><p>　　齒輪的赤廓角查設計手冊取一般值</p><p>　　齒頂高系數(shù)經(jīng)查設計手冊取標準值=1</p>

75、<p><b>　　頂隙系數(shù)=0.25</b></p><p>　　齒輪模數(shù)m在強度和結構允許的條件下，應選擇較小的模數(shù)，</p><p>　　查表選擇模數(shù)為1.75</p><p>　　小輪齒數(shù)在中心距一定時，應選擇用較多的齒數(shù)，可以提高重合度，使傳動平穩(wěn)，減少噪聲，模數(shù)的減少，還可以減少齒輪重量和切削量，提高抗膠合性能，經(jīng)查閱

76、設計手冊取一般值20。</p><p>　　因此大輪齒數(shù) (3-5)</p><p><b>　　=20*3</b></p><p><b>　　=60</b></p><p>　　所以齒數(shù)比

77、 =3</p><p>　　輪分度圓直徑 (3-6)</p><p><b>　　=20*1.75</b></p><p><b>　　=35mm</b></p><p>　　大輪分度圓直徑

78、 (3-7) </p><p><b>　　=60*1.75</b></p><p><b>　　=105mm</b></p><p>　　齒輪寬度查設計手冊齒寬系數(shù)0.6mm</p><p>　　所以，小齒輪齒寬54mm，

79、大齒輪齒寬27mm。</p><p>　　齒輪軸為圓截面軸，對于圓截面軸，扭轉強度條件為：</p><p><b>　?。?-8） </b></p><p><b>　　設計公式： </b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>

80、;　　其中扭轉剪切應力， P 為軸傳遞的功率， n為軸的轉速。</p><p>　　當截面開有鍵槽的時候應增大軸徑 5 — 7%。</p><p>　　可以用第三強度理論求出危險截面的當量應力，其強度大小為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　設計公式 </b&

81、gt;</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　經(jīng)計算，小齒輪的最小徑選擇為10mm大齒輪軸的最小直徑為16mm</p><p>　　設計軸時應該注意的幾個問題【6】：</p><p>　　1）要合理選擇危險剖面。由于軸的各剖面的當量彎矩和直徑不同，因此軸的危險剖面在當量彎矩較大或軸的直徑較

82、小處，一般選取一個或二個危險剖面核算；</p><p>　　2）若驗算軸的強度不夠，則可用增大軸的直徑、改用強度較高的材料或改變熱處理方法等措施來提高軸的強度；若比小很多時，是否要減小軸的直徑，應該綜合考慮其它因素而定。</p><p>　　機器人連接方式的確定</p><p>　　圖3-1 機器人連接方式</p><p>　　機器人的下位

83、子機構的連接方式如圖3-1所示，電機輸出軸和減速箱的輸入軸之間由聯(lián)軸器相連，經(jīng)過減速箱齒輪減速后，由減速箱輸出軸輸出，與驅動輪軸以聯(lián)軸器相連，驅動輪與軸之間由法蘭連接固定。</p><p><b>　　圖3-2 聯(lián)軸器</b></p><p>　　聯(lián)軸器采用普通凸緣聯(lián)軸器【7】，其特點主要有：</p><p>　　一、是把原動機和工作機械的軸聯(lián)

84、接起來并傳遞扭矩；</p><p>　　二、是可以適當補償兩根軸因制造、安裝等因素造成的徑向軸向和角向誤差；</p><p>　　三、安全聯(lián)軸器當發(fā)生過載時，聯(lián)軸器打滑或銷子斷開以保護工作機械；</p><p>　　四、彈性聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。</p><p>　　經(jīng)設計機器人的結構顯示如下圖：</p>

85、<p>　　3-3 機器人裝配圖1</p><p>　　3-4 機器人裝配圖2</p><p>　　超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　機器人的運動學方程</b></p><p>　　本文研究的雙輪驅動式移動機器人是由一個移動平臺和兩個獨立驅動的驅動輪組成的 。移動平臺上有兩個獨立的驅動

86、輪，該種機構組成簡單，而且旋轉半徑可從0到無限大，任意設定。當旋轉半徑為0時，由于能繞本體中心旋轉，所以有利于在狹窄場所改變方向。因此針對雙輪驅動式移動機器人運動特點，設計出機器人的控制方法，通過控制兩個驅動輪的驅動力矩，可以實現(xiàn)控制移動機器人沿給定的軌跡運動【8】。</p><p>　　研究的雙輪驅動式移動機器人的幾何模型如圖4.l所示。</p><p><b>　　主要參數(shù)如

87、下：</b></p><p>　　F一移動平臺上的關鍵點；G一移動平臺的質心；b一兩個驅動輪之間的距離；r一驅動輪的半徑；l一點G與點F之間的距離；φ 一平臺的轉角；θ 一左驅動輪的轉角；θ一右驅動輪的轉角。</p><p>　　圖4-1 雙輪驅動式移動機器人幾何模型</p><p>　　移動平臺質心的速度為 v，它垂直于平臺的輪軸，因此它在兩個坐標軸上

88、的分量分別為：</p><p>　　和 (4-1)</p><p>　　消去 得如下關系式：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　點F與點G有如下位置關系：</p><p><b>　　(4-3)<

89、;/b></p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　對(3)和(4)求導可得如下速度關系：</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　F點的速度關系

90、可以表示為：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　平臺質心的速度與驅動輪轉速的關系式為：</p><p>　　和 (4-8)</p><p>　　可以得到矩陣表達式：</p><p><b>　　(4-9)&l

91、t;/b></p><p>　　因為 </p><p>　　其中 </p><p>　　所以 （4-10）</p><p>　　J定義為雙輪驅動式移動機器人

92、的矩陣(4-10)，反映雙輪驅動式移動機器人關鍵點的速度與驅動輪的轉速之間的關系，同時也反映雙輪驅動式移動機器人關鍵點的作用力與驅動輪的驅動力之間的關系。</p><p><b>　　單片機控制系統(tǒng)</b></p><p>　　AT89C51單片機</p><p>　　AT89C51單片機【9】最小系統(tǒng)是超聲波測距儀的核心部分。它是一種帶4K字

93、節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案

94、。</p><p>　?。?）AT80C51的主要性能包括：</p><p>　　1)與MCS-51 兼容 ;</p><p>　　2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲器; </p><p>　　3)壽命：1000寫/擦循環(huán);</p><p>　　4)數(shù)據(jù)保留時間：10年;</p><p>　　5)全靜態(tài)

95、工作：0Hz-24Hz;</p><p>　　6)三級程序存儲器鎖定</p><p>　　7)128*8位內(nèi)部RAM;</p><p>　　8)32可編程I/O線;</p><p>　　9)兩個16位定時器/計數(shù)器;</p><p>　　10)5個中斷源 ;</p><p>　　11)可編程串行

96、通道;</p><p>　　12)低功耗的閑置和掉電模式 ;</p><p>　　13)片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 </p><p>　?。?）AT89C51內(nèi)部分工：</p><p>　　AT89C51內(nèi)部有256個字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實際提供給用戶使用的只有128個字節(jié)（00H-7FH），另128個字節(jié)(80H-FFH)是

97、特殊寄存器區(qū)。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個16位的定時器/計數(shù)器。在本系統(tǒng)中定時器T0用來計時，定時器T1用來做波特率發(fā)生器。</p><p><b>　　復位電路設計</b></p><p>　　復位電路目的：在需要的時候，單片機復位，保證正常的工作循環(huán)【10】。</p><p>　　復位電路有各種各樣，但是工作環(huán)境惡劣，復位電路要求

98、嚴格，本系統(tǒng)中采用MAX5045芯片專做復位芯片。</p><p><b>　　如圖4-2所示：</b></p><p>　　X5045最主要特點有：</p><p>　　1) 512字節(jié)串行EEPROM；</p><p>　　2) 集成了可編程看門狗定時器（可設定看門狗超時時間，典型時間200ｍｓ，600ｍｓ，1.4ｓ

99、或禁止）；</p><p>　　3) 上電復位及低電壓檢測，即在上電和VCC低于檢測門限時，輸出復位信號。X5045輸出復位高電平有效，X5043輸出復位電平低有效，確保直至VCC=1V復位信號仍有效 ；</p><p>　　4) 編程的復位門限。需加高電壓（15-18V加在WP引腳）及一個專門時序</p><p>　　5) SP1接口方式，最高可達 1MHZ串行時

100、鐘頻率；</p><p>　　6) 低功耗CMOS電路（備用電流10PA、工作電流3MA）；</p><p>　　7) 功耗低，通信速度快（最高3.3HZ，X5045/3為1MHZ）已經(jīng)得到廣泛應用。</p><p>　　圖4-2 X5045引腳圖</p><p><b>　　穩(wěn)壓芯片</b></p>&l

101、t;p>　　穩(wěn)壓電路選用7812芯片，采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機供電，然后采用一片7809將電壓穩(wěn)定至9V，最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電，但7809和7805壓降過大，使7809和7805消耗的功率過大，導致7809和7805發(fā)熱量過大，于是放棄這種方案。</p><p>　　采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。

102、2576的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　電機驅動電路系統(tǒng)</b></p><p>　　L298采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路【11】，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。

103、</p><p>　　L298通過內(nèi)部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L298將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉，反之，電機反轉。選用一路PWM連接E

104、N12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機的轉速。選擇一路I/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機的正反轉。</p><p><b>　　超聲波測距算法</b></p><p><b>　　超聲波應用的可行性</b></p><p>　　超聲波技術的聲學特性早已為人們所認識。但是把超聲波技術運用

105、到工業(yè)測量中，則是近二十年年來的事情，隨著微電腦及電子技術的發(fā)展，對超聲波信號發(fā)射、捕捉及處理手段的日益完善才得以實現(xiàn)的。目前，超聲波測距儀和超聲波流量計已被廣泛使用。</p><p>　　超聲波是指頻率超過20kHz的聲波。為了充分認識超聲儀表，有必要了解其相關的特性【12】：</p><p>　　1）聲速特性：超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進行傳播，其速度受介質溫度、壓力等

106、因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質中的傳播速度是一常數(shù)。這是所有超聲儀表進行測量的基礎。</p><p>　　2）反射特性：超聲波從一種介質進入另一種介質時，由于兩種介質密度不同，因而在兩種介質分界面，其方向傳播會發(fā)生改變：其中一部分折射入另一種介質，另一部分被反射回來。當超聲波以氣體傳播到固體或液體時，由于兩種介質密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，超聲波物位計充分利用了這一特性。當超聲波以固體傳播

107、到液體（或反過來）時，聲波因為傳播的介質密度相近而幾乎全部折射，超聲波流量計則利用了這一特性。</p><p>　　3）衰減特性：超聲波在傳播過程中，由于受介質和介質中雜質的阻礙或吸收，其強度會產(chǎn)生衰減。不論是超聲波流量計還是超聲波物位計，對所接受的聲波強度都有一定要求，所以都要對各種衰減進行抑制。</p><p><b>　　超聲波的產(chǎn)生和接收</b></p&

108、gt;<p>　　以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器(或稱壓電式超聲波探頭)和磁滯式超聲波傳感器。本實驗采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應進行工作的。利

109、用逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應將接收的超聲振動波轉換成電信號，以此作為超聲波的接收器【13】。 </p><p>　　人能聽到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性

110、能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。本次設計選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應來工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。</p><p><b>　　超聲波的產(chǎn)生</b

111、></p><p>　　超聲波屬于機械波，由于物體機械振蕩產(chǎn)生的。目前產(chǎn)生和接收的超聲波的器件通常采用壓電晶體作為換能器。壓電晶體具有兩種可你的能量轉變效應即在交變電場的作用下導致厚度的交替改變從而產(chǎn)生聲震動，即由電能轉變?yōu)槁暷?，稱為逆壓電效應；相反，有聲波的壓力變化使壓電晶體兩端的電極隨聲波的壓縮與弛張發(fā)生正負電位交替變化，稱為正壓電效應。如圖5.1所示.在逆壓電效應中，壓電晶體稱為超聲發(fā)生器，在正壓電效

112、應中，壓電晶體稱為回聲發(fā)生器。</p><p><b>　　圖5-1 壓電效應</b></p><p>　　1）壓電式超聲波發(fā)生器原理</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖5.2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將