基于STM32的全向轮避障小车的研究综述.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .综 述基于 的全向轮避障小车的研究综述张家铭 周海燕(南京林业大学机械电子工程学院江苏 南京)摘 要:随着机器人技术的快速发展全向轮避障小车越来越被重视现有的设计和算法已经得到了广泛应用但还有许多问题需要研究 以基于 的全向轮避障小车为研究对象旨在对其硬件设计、算法设计、实验验证以及应用拓展等方面进行综述以提供更加全面的认识和参考 基于已有研究对全向轮避障小车的硬件设计和算法设计进行详细分析并针对其实验验证和应用拓展进行深入研究从而全面了解其优势和限制 对全向轮避障小车的研究现状进行分析、找出存在的问题提出未来避障小车的发展方向关键词:全向轮 避障小车中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:收稿日期:基金项目:南京林业大学大学生创新训练项目()南京林业大学高等教育研究课题“面向机械类专业新工科人才培养的赛教融合实践教学研究”()第一作者简介:张家铭本科生研究方向为机器人工程:.通讯作者:周海燕实验师博士研究生主要从事机电控制方面的实验教学研究及人工智能研究:.现代社会对自动化技术的需求日益增强智能避障小车因其能够实现无人操作避障而成为了自动化技术的重要应用之一 基于 的全向轮避障小车作为其中一种典型代表不仅可以在智能家居、林业机械与木工设备第 卷空间探索等领域得到广泛应用最近几年已经成为了机器人领域研究的一个热点方向 在过去的研究中科学家们利用 芯片作为主控芯片建立模糊控制规则将小车的控制规划成一种非线性控制问题并且设计出具有全局性的控制算法使小车能够在避开障碍物的情况下实现精确操控 此外还有一些研究者借助机器视觉领域的开源库 通过协同 芯片和机器视觉模块实现静态环境下小车对障碍物的有效识别与规避并对路径进行规划但是在动态障碍物环境下该系统仍存在缺陷自 年起针对基于 的全向轮避障小车的研究文章相继出现 这些文章从不同的角度和方法对该领域进行了研究 其中李帅男利用超声波传感器和循迹模块实现了小车的极限避障功能还实现了智能化的追踪行驶 年卫静婷等将语音控制技术融入到小车中实现了语音控制和避障的功能 同年江中玉等通过传感器模块和控制模块的协同作用实现了小车在障碍环境下自主导航、避障和自稳定的功能 这些文献中综合运用了传感器、语音控制和循迹模块等多项技术提高了小车的自主识别和避障能力使其更加智能化和实用化邓文涛等在架构设计和电路调试方面使用不同的单片机与传感器实现了小车的远距离旋转和避障 杨帆等则是运用 为核心控制器实现小车的智能避障和追踪 此外 年曾颖琳等和卢雪红等则从小车的机械部分入手 结合 实现小车的循迹和避障功能拓展了小车的应用领域 这些文献均突出了 单片机在小车设计中所扮演的重要角色 针对小车避障行为的优化王钰等研究了基于声学和视觉传感器的避障算法提高了小车的避障效率和成功率 同时洪一民等则在小车的避障行为上进一步实现了距离的监测和测量实时反馈信息从而提高小车的安全性和可靠性 总的来说这些文献在小车的智能化设计和避障策略方面做出了重要贡献为全向轮避障小车的实用化和推广提供了重要的技术支撑 全向轮避障小车的硬件设计.全向轮的原理及选型全向轮是由多个小轮组成的一个大轮通过不同角度的摆放和旋转可以实现在任意方向上的移动 它的运动轨迹不仅可以实现沿直线、左右平移等基本运动还可以实现转向、旋转等复杂运动选择全向轮的关键因素是其移动方向和速度的灵活性因此在选型时应根据小车的需要选择合适的大小和数量 在小车的直线运动中全向轮相当于已知速度且方向不变的刚体因此可以将其纳入小车的驱动和控制系统中通过控制每个全向轮的速度和方向实现小车的运动控制在硬件选型上全向轮的选择根据其负载能力、精度和使用频度等因素来确定可以选择带齿轮的或无齿全向轮 带齿轮的全向轮具有更高的扭矩和更好的灵活性但其精度和寿命相对较低因此在需要较高精度的应用场景中可以选择无齿全向轮不同的全向轮在不同的场景下具有不同的优缺点因此在选型时还需结合实际应用要求进行综合考虑 而在小车的实际研发过程中还需要考虑全向轮与其他硬件和控制系统的兼容性以及其实际制造和维护成本等因素在全向轮的选型和设计过程中需要充分考虑其重要性和应用场景的特殊性同时结合实际应用场景和性能要求综合考虑选型和配合为小车的后续开发和应用奠定坚实的基础.控制器的选型及接口设计在全向轮避障小车的硬件设计中控制器的选型及接口设计是非常重要的一环 通常控制器的选型需要考虑多方面因素包括但不限于处理速度、存储容量、接口类型及数量 对于全向轮避障小车而言还需要考虑它所需的运动控制算法在控制器的选型方面常见的控制器有单片机、等 由于全向轮避障小车的控制需要进行实时计算并且需要满足一些特殊的要求如快速响应、低功耗、数据通信等因此选用了 系列单片机作为控制器 系列单片机(以下简称)是一款基于 内核的微控制器它具有低功耗、高性能、易扩展等特点 同时 的接口资源也比较丰富包括通用 口、串口、等接口设计方面需要将传感器、执行器等外围设备与 单片机连接起来 根据其接口特性一般选择 通信接口通过串口通信与传感器以及执行器进行数据交互 考虑到为了方便调试和开第 期张家铭等:基于 的全向轮避障小车的研究综述发还可将 调试模块与 进行连接这样可以通过/等开发环境对 进行在线调试及下载综上所述控制器的选型及接口设计是全向轮避障小车硬件设计中一个至关重要的部分 作为控制器通过 通信接口与外围设备进行连接并使用激光雷达和超声波传感器进行环境感知 这些措施可以保证小车的运动控制算法能够得到准确的数据支持并实现高效稳定的运行.传感器的选型及布置在全向轮避障小车的设计中传感器是非常重要的组成部分 传感器的主要作用是实时地获取车辆周围环境的信息并将信息传送给控制器从而实现车辆的自主导航和避障功能 因此传感器的选型和布置非常关键在传感器的选型中需要考虑一些关键因素:传感器的灵敏度、精度和响应速度 首先传感器的灵敏度要足够高以便能够准确地检测障碍物和其他物体 其次传感器的精度要足够高以便能够准确地测量物体与车辆的距离和方向 最后传感器的响应速度要足够快以便在遇到障碍物时能够作出实时地判断并采取相应措施在传感器的布置中需要考虑车辆的结构设计一般来说传感器应该尽可能地分布在车辆的各个方向上以便全方向地检测周围的环境 另外传感器的布置还应考虑车辆行驶时的高度和角度以便能够准确地测量物体与车辆的距离和方向 在具体的操作中可以采用多种传感器的组合如超声波传感器、红外传感器和激光雷达等以提高传感器的检测精度和准确度总之传感器的选型和布置是全向轮避障小车设计的重要组成部分也是实现车辆自主导航和避障功能的关键所在 在选择和使用传感器时需要综合考虑多种因素并根据车辆的结构和设计进行布置以提高传感器的检测精度和准确度从而实现车辆的高效全向避障 全向轮避障小车的算法设计.避障算法的原理及分类全向轮避障小车作为机器人领域的重要研究课题其关键技术之一便是避障算法的设计避障算法按照分类方法可分为经典算法和智能算法两类 其中经典算法包括壁障法、波前法、虚拟障碍法等这些算法凭借着简单易懂、易于实现的特点在避障领域得到了广泛应用 而智能算法则是指基于人工智能思想设计的避障算法例如深度学习、强化学习和群智能优化等这类算法可以自主学习和优化具有一定的自适应性和泛化能力从避障算法的原理上看避障算法又可分为基于距离感知的避障算法和基于视觉感知的避障算法 前者主要利用超声波、红外线等传感器测量障碍物与小车之间的距离通过距离判断来实现避障后者则是通过相机、激光雷达等设备采集场景信息利用计算机视觉技术处理图像信息最终实现避障总体而言避障算法的设计旨在使小车在复杂环境下能够准确、迅速地避开障碍物提高小车的行驶安全性和效率 不同算法适用于不同场景根据实际需求选用合适的算法进行避障处理是提高全向轮避障小车性能的重要途径之一.避障算法的实现及优化在避障算法的实现及优化方面目前主要有两种方法:基于传感器的避障方法和基于视觉处理的避障方法 基于传感器的避障方法是指通过机器人搭载的传感器对车辆周围的环境进行感知并根据感知的信息进行避障 在具体实现时需要根据采用的传感器类型来定制避障策略和数据处理方法例如红外传感器主要用于检测距离较近的障碍物可以配合机器人的电机速度进行避障超声波传感器则可以检测更远距离的障碍物可以适用于较高速度的机器人避障 与基于传感器的避障方法相比基于视觉处理的避障方法则是通过摄像头等感光设备获取车辆周围环境的图像信息并对图像进行分析处理通过算法判断障碍物的位置、形状、大小等并做出相应的决策 基于视觉处理的避障方法在避障精度方面表现更优适用范围更广但同时也要求车辆的算力较强在避障方法的优化方面常用的方法有路径规划、特征提取和机器学习等 路径规划方法包括基于预设地图的自动路径规划和基于现场采集数据的实时路径规划 特征提取方法包括边缘检测、色彩分割、目标追踪等这些方法可以对环境信息进行优化和噪声消除 机器学习方法则是在海量数据的基础上训练车辆的避障能力并不断迭代优化使其能林业机械与木工设备第 卷够在复杂环境中做出更好的决策综上所述在选择避障算法的实现及优化方面需要根据具体应用场景和需求来进行选择将不同的方法进行组合和优化以达到更好的效果.地图构建算法的实现及优化在全向轮避障小车的自主导航中地图构建算法起着至关重要的作用地图构建算法是通过小车搭载的传感器感知周围环境得到障碍物位置等信息将其转化为地图的形式以提供给后续的运动控制算法使用 地图构建算法的实现可分为三个步骤 首先传感器模块获取小车周围的环境信息包括障碍物的位置、角度、距离等其次地图构建算法将传感器获取到的信息转化为真实环境中的坐标即进行坐标转换最后地图构建算法将已转换的坐标数据存储起来并进行更新以便小车进行下一步运动控制决策优化地图构建算法的重点在于提升地图的精度和实时性减少误差和延迟使小车能够对环境的变化做出更加快速、准确的响应 其中一种重要的优化手段是使用概率地图进行地图构建 概率地图是一种基于贝叶斯定理的地图表示方法能够更加准确地描述环境中物体的位置和形状 在地图构建算法中利用建立的概率地图可以根据对环境的不断感知来更新地图中物体位置的概率分布从而提高地图的精度和实时性 除了使用概率地图还可以采用分布式地图构建算法将传感器节点和地图构建算法分别部署在多个小车或节点中通过互相协作和通信来实现地图的构建 这种方法能够提高地图构建的速度和精度适用于大规模环境下的场景总之在全向轮避障小车的自主导航中地图构建算法是实现小车精准避障、路径规划等核心功能的基础其实现和优化对小车的导航性能和稳定性具有至关重要的影响 全向轮避障小车的应用领域.智能家居领域的应用全向轮避障小车作为一款新型机器人在智能家居领域的应用前景十分广阔 智能家居最基础的任务便是物品的搬运将各种生活用品从一个房间运到另一个房间而全向轮避障小车的出现则更加方便了家居物流 全向轮的设计让小车能够在家居环境中实现精准的定位和移动通过摄像头、扫地机、遥控器等多种方式与用户进行交互实现智能、便捷的物品搬运服务此外全向轮避障小车还能够作为家居安保机器人其搭载的摄像头和雷达能够监控房间内的活动情况实现智能巡逻和报警 同时还可以将家中的各种设备进行联网通过小车的遥控器控制实现智能家居的整合管理 这种新型智能家居方案不仅方便了人们的生活也推动了智能家居发展的进程综上所述全向轮避障小车在智能家居领域的应用前景广阔 其能够为人们带来便捷、智能的物品搬运和安保服务同时也推动了智能家居的发展.工业自动化领域的应用全向轮避障小车在工业自动化领域的应用越来越广泛特别是在生产物流和仓储管理方面 通过全向轮避障小车的应用可以实现自动化、智能化生产流程提高生产效率和产品质量一方面全向轮避障小车可以配备传感器、相机等设备实现自动化导航和路径规划准确高效地完成生产流程 例如在仓库管理中全向轮避障小车可以根据仓库物品存放的位置自动规划最短路径准确地将物品从 区域运输到 区域如图 所示的 小车图 小车的应用另一方面全向轮避障小车还可通过信息传输实现智能化的任务分配 通过传送储存的物品信息全向轮避障小车能实现对物品的自动追踪同时结合物品的储存需求在不遮挡视线的情况下智能地规划最优路径将物品从物料库区运送到生产车间 而且全向轮避障小车的自行导航和路径规划功能也为生产车间节约了人力成本提高工作效率第 期张家铭等:基于 的全向轮避障小车的研究综述在传统的制造业中生产线通常为线性的导致车间空间利用率低、物流效率慢全向轮避障小车可以有效地解决这一问题整合车间流程实现智能化制造总之全向轮避障小车在工业自动化领域的应用具有显著的技术优势和广阔的应用前景 未来随着人工智能、云计算等技术的不断发展全向轮避障小车将会更加智能化、高效化、精密化为工业自动化的发展注入新的动力 未来研究展望基于 的全向轮避障小车是一个比较新颖的研究方向目前在该领域的研究也处于相对较初级的阶段 随着科技的不断发展研究人员对其未来发展方向也逐渐有了更多的认识首先未来研究的重点应该放在提高避障小车智能化方面 避障小车智能化包括对系统架构的改进控制系统的优化以及对传感器、记忆单元等物理系统更精确、更高效的数据处理能力进行增加 这些改善将能够使避障小车获得更高的稳定性和导航精度也能够更好地适应复杂的环境提高避障小车的无人自动操控能力 其次应继续优化避障小车的开发和生产成本以满足市场需求而且避障小车物美价廉将增加产品的销售量为更多的人群带来实际的使用价值 另外未来的研究中对避障小车的控制算法也需要更进一步的探究 当前在该领域的研究还处于探索阶段如遇到复杂多变的路况无法产生快速、准确的决策 因此更加高效的控制算法的设计和研究也是未来必须面临的任务 最后提高避障小车的通用性和适应性是未来研究的一个重要方向 随着避障小车的发展可以将其应用到各种不同的场景和领域如医疗配送、仓库物料搬运等 因此提高避障小车的适应性和通用性将有助于传感器的精度、时间响应速度以及无误操作能力等方面的提高总之未来基于 的全向轮避障小车的研究方向将更加注重其智能化、控制算法、生产成本优化以及其通用性和适应性等多个方面的探究 相信在不久的将来基于 的全向轮避障小车将会有着更加广泛的应用和更好的发展前景参考文献:李帅男.基于 的循迹避障智能小车的设计.数字技术与应用():.卫静婷陈利伟黎斌等.基于 的语音控制和自动避障智能小车的设计.电子测试():.江中玉何振鹏胡锦.基于 的智能导航避障小车的设计与实现.实验科学与技术():.邓文涛田昌赵娟.基于 的智能避障小车设计.科技创新导报():.杨帆雷迪.基于 设计的避障小车.制造业自动化():.曾颖琳董欣倪鹏等.基于 的智能避障小车设计.科技与创新():.卢雪红邵亚军.基于 智能小车自主循迹避障系统设计与功能实现.世界有色金属():.王钰朱琳苏世雄等.基于 的双模式智能避障小车系统设计与实现.自动化与仪表():.洪一民钱庆丰章志飞.基于 的智能小车循迹避障测距的设计.物联网技术():.崔志伟苗丽晨.基于 的循迹避障小车设计.内燃机与配件():.刘昌林.基于 单片机的智能避障小车设计.科技风():.张微杨博云王韵琪.基于 的车辆智能避障控制系统设计.科技视界():.董靖川张朝温洋等.基于 的低碳避障实验小车电控设计.实验技术与管理():.吕闪金巳婷沈巍.基于 的循迹避障智能小车的设计.计算机与数字工程():.李怀宇.基于 的避障小车设计.科技视界():.孙日杰.机器人全向移动平台及控制系统设计研究.天津:天津大学.孙全胜.基于 单片机的麦克纳姆轮小车设计.现代信息科技():.