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远程目标实时检测及规避技术深度解析
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2017-10-16
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近年来，关于智能机器人避障是一个比较热门的问题，在很多电子设计竞赛中也是一个很典型的赛题。在这方面，避障方案的选择和软件的设计和巧妙的算法在设计的实现上有着很重要的作用。
在避障方案的选择上主要基于反射式器件的原理，利用传感器向某一方向发射遇到障碍物后反射的回波，从而测出机器人与障碍物之间的距离。目前常用的避障手段有以下三种方法。
一、超声波检测避障法
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。但它无法用于精确定位之上，且超声波受环境因素的影响比较明显，因此对于定位精度较高的场合无法深入应用。
二、红外检测法
红外传感器通过光电开关的探测，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先，使用的是波长780nm——3um的近红外光，并已有比较稳定的集成化产品，与数字威廉希尔官方网站 的接口也非常简单。但红外线易受干扰且检测距离十分有限，所以无法用于远距离的障碍物检测以及快速的避障方面。
三、激光测距法
激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。因此它在快速避障的领域也将发挥着极其重要的作用，它的远距测量给避障的算法计算争取了宝贵的时间，在高速避障的场合有着不可替代的作用。
课题研究方案
我们通过激光测距仪来实时检测测量范围内障碍物的距离数据并通过RS232传输端口传送到PSoC中进行相应处理，我们选用了新一代的超声电机作为作动器来实现激光测距仪10度角的环境范围扫描，因其具有快速的响应能力、良好的断电自锁能力且不受电磁干扰的影响等一系列优点，固在航空航天的领域有较大的应用前景。
本课题中，我们可以控制超声电机在10度角的范围内达到50Hz的扫描频率，这一点完全满足了实时避障的外部需要。并且借助于其较高的扫描速率再加上激光测距仪较远的探测范围，我们就完全可以实现提前预测、快速避障的功能。
对于避障方案的选取我们结合了当今动态障碍物检测的不同方式，根据自身系统的特点提出了以下几个不同的方案，对于其最优性的选取，我们会在后期的工作中结合实验统计选取最好的算法解决方案。
在避障方案的选择上主要基于反射式器件的原理，利用传感器向某一方向发射遇到障碍物后反射的回波，从而测出机器人与障碍物之间的距离。目前常用的避障手段有以下三种方法。
一、超声波检测避障法
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。但它无法用于精确定位之上，且超声波受环境因素的影响比较明显，因此对于定位精度较高的场合无法深入应用。
二、红外检测法
红外传感器通过光电开关的探测，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先，使用的是波长780nm——3um的近红外光，并已有比较稳定的集成化产品，与数字威廉希尔官方网站 的接口也非常简单。但红外线易受干扰且检测距离十分有限，所以无法用于远距离的障碍物检测以及快速的避障方面。
三、激光测距法
激光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。因此它在快速避障的领域也将发挥着极其重要的作用，它的远距测量给避障的算法计算争取了宝贵的时间，在高速避障的场合有着不可替代的作用。
课题研究方案
我们通过激光测距仪来实时检测测量范围内障碍物的距离数据并通过RS232传输端口传送到PSoC中进行相应处理，我们选用了新一代的超声电机作为作动器来实现激光测距仪10度角的环境范围扫描，因其具有快速的响应能力、良好的断电自锁能力且不受电磁干扰的影响等一系列优点，固在航空航天的领域有较大的应用前景。
本课题中，我们可以控制超声电机在10度角的范围内达到50Hz的扫描频率，这一点完全满足了实时避障的外部需要。并且借助于其较高的扫描速率再加上激光测距仪较远的探测范围，我们就完全可以实现提前预测、快速避障的功能。
对于避障方案的选取我们结合了当今动态障碍物检测的不同方式，根据自身系统的特点提出了以下几个不同的方案，对于其最优性的选取，我们会在后期的工作中结合实验统计选取最好的算法解决方案。
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