超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于移動(dòng)機器人避障、倒車(chē)雷達等需要距離測量的場(chǎng)合[1]。由于超聲波的輻射特性,現有的多路傳感器測距系統為減少干擾的產(chǎn)生,多采用輪循發(fā)射的方法,這種方法的測距盲區較大,實(shí)時(shí)性也得不到保證,并且,這樣測量到的數據對障礙物的定位、形狀判別等后續處理也比較麻煩。

 

本文設計了一種多路傳感器并行工作的超聲波測距系統。將該系統用于智能移動(dòng)機器人上進(jìn)行避障實(shí)驗,獲得良好的效果。

 

 

超聲波測距的方法有多種,本文采用渡越時(shí)間法,即通過(guò)測量超聲波從發(fā)射傳感器發(fā)出,經(jīng)傳播介質(zhì)到接收傳感器的時(shí)間t來(lái)計算距離。其原理可以用公式表示為L(cháng)=vt/2,(L為待測量的距離;v為超聲波在空氣中的傳播速度,t為渡越時(shí)間)。超聲波在空氣中的傳播速度與環(huán)境的溫度有關(guān),通過(guò)溫度補償的辦法可以提高測距的精度。本文的速度通過(guò)經(jīng)驗公式v=331.4+0.607??計算,為攝氏溫度。用一線(xiàn)制溫度傳感器DS18B20來(lái)測量環(huán)境溫度。

 

 

測距系統硬件結構如圖1所示。主要包括上位機、處理器、超聲波振蕩電路、驅動(dòng)電路、信號放大、整形和比較電路。

 

 

處理器采用STC單片機STC12C5410,該單片機與51系列兼容。每一片單片機通過(guò)多路轉換器控制兩路超聲波傳感器,這兩路傳感器分別位于機器人的前側和后側。單片機的主要任務(wù)是測量渡越時(shí)間和環(huán)境溫度,計算障礙物的距離。單片機與上位機之間通過(guò)RS232通信。上位機對接收的數據進(jìn)行分析可以定位障礙物,支配機器人的運動(dòng)。

 

超聲波發(fā)射電路由振蕩電路和驅動(dòng)電路兩部分組成。振蕩電路是由與非門(mén)和電阻與電容組成的簡(jiǎn)單電路,能產(chǎn)生40kHz的方波信號驅動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波;驅動(dòng)電路產(chǎn)生具有一定功率的超聲波電脈沖去激勵超聲波傳感器,由6個(gè)非門(mén)并聯(lián)組成,利用了芯片本身的驅動(dòng)能力。經(jīng)過(guò)驅動(dòng)后,最終加到超聲波傳感器的信號是幅值為5V的方波。

 

 

系統中,單片機要控制2個(gè)定時(shí)器,一個(gè)用于測量渡越時(shí)間,另一個(gè)用于設置單片機與PC通信的波特率,保證通信的準確性;控制一個(gè)外部中斷口,實(shí)時(shí)監測超聲波接收傳感器是否接收到反射的超聲波信號;用一個(gè)I/O控制超聲波發(fā)射傳感器按一定頻率發(fā)射超聲波[2];用單總線(xiàn)協(xié)議控制一個(gè)I/O讀取DS18B20采集的溫度值。單片機還要接收和處理上位機的命令,并根據上位機的要求將數據實(shí)時(shí)回送給上位機。單片機的程序流程圖如圖2所示。

 

 

超聲波接收電路分信號放大、整形、比較三部分。超聲波接收傳感器接收的信號十分微弱,為毫伏級,該信號需要經(jīng)過(guò)放大才能被單片機檢測到。本文采用兩級放大電路,共放大1000倍,兩級放大電路之間采用阻容耦合的方式連接。從放大器輸出的信號經(jīng)過(guò)倍壓整形電路后流入比較器。調節比較器的基準電壓可以改變測距系統的測量范圍和測量精度。比較器輸出的信號接到單片機的INT0,觸發(fā)單片機中斷。

 

單片機與上位機之間用多機通信的方式傳送數據。PC沒(méi)有多機控制位,需要用軟件的方法模擬單片機的TB8/RB8位。通信協(xié)議設置步驟如下:

 

1)設置單片機處于地址監聽(tīng)狀態(tài);

 

 

2)PC發(fā)送一組奇偶校驗位為1的地址數據;

 

3)單片機判斷接收到的地址是否與本機地址相同,如果相同,則將該地址發(fā)送會(huì )主機,與主機建立握手協(xié)議;

 

4)主機接收到地址后,發(fā)送奇偶校驗位為0的數據,通知單片機發(fā)送距離信息;

 

5)單片機發(fā)送距離數據,發(fā)送結束后,返回步驟(1)繼續監聽(tīng)地址。

 

上位機程序由VisualC++6.0編寫(xiě)。其任務(wù)是按設置好的通信協(xié)議每隔50ms向串口發(fā)送一組查詢(xún)命令,讀取單片機測量的距離信息;通過(guò)分析讀取的距離信息來(lái)定位障礙物,粗略判斷障礙物的形狀特征;采取必要的避障措施控制機器人的運行并顯示運行軌跡。軟件有著(zhù)良好的用戶(hù)界面,利于程序調試。

 

 

采用多傳感器并行發(fā)射超聲波的方式,最大的一個(gè)缺點(diǎn)就是干擾比較嚴重,特別是各傳感器之間的信號干擾。引起干擾的因素主要有以下幾種:

 

1)傳感器的安裝誤差:超聲波的產(chǎn)生是壓電晶體的機械振動(dòng),發(fā)射和接收傳感器之間的連接容易產(chǎn)生干擾;如果傳感器與地面之間有傾角或安裝的過(guò)低,接收傳感器很容易接收到地面的反射波,觸發(fā)單片機中斷。

 

2)超聲波旁瓣的影響:在發(fā)射波結束后,接收傳感器接收到的第一個(gè)波是串擾直通波,它是近源的波束旁瓣或通過(guò)繞射由發(fā)射換能器直接達到接收換能器而造成的[3]。因此,安裝超聲波傳感器時(shí),2個(gè)探頭之間的距離要大于3cm。

 

3)超聲波余振干擾:發(fā)射傳感器每次發(fā)射8組超聲波,每組5~8個(gè)波形。當障礙物比較近時(shí),第一組波形就能觸發(fā)單片機中斷。這種情況下,退出中斷時(shí)可能發(fā)射的超聲波還沒(méi)有完全衰減,當下一次開(kāi)中斷時(shí),單片機中斷就會(huì )立即被觸發(fā),產(chǎn)生干擾數據[4]。

 

4)超聲波交叉干擾:多路傳感器并行發(fā)射,接收傳感器接收到的反射超聲波可能不是對應的發(fā)射傳感器發(fā)射的,并且,各路傳感器之間的信號不同步,這樣,很容易引起測量時(shí)間不準確。實(shí)驗中出現的很多干擾數據就是由這個(gè)原因引起的。

 

為屏蔽超聲波余振和交叉干擾,單片機采用低電平觸發(fā)中斷的方式,并且,在中斷服務(wù)子程序中停止超聲波的發(fā)射。單片機觸發(fā)中斷后,在接收傳感器能接收到反射波的這段時(shí)間內,其一直在中斷服務(wù)子程序中循環(huán)執行,等待反射超聲波衰減至不能被系統識別才退出中斷。

 

 

測距系統盲區為10cm,由于程序中設定機器人距障礙物40~50cm時(shí)采取避障措施,所以,測距盲區對機器人避障不會(huì )產(chǎn)生影響。將測距系統安裝到機器人上,用一根半徑1cm的塑料桿在機器人前方移動(dòng),逐點(diǎn)探測測距系統的敏感度[5]。探測點(diǎn)選在與超聲波傳感器平行的直線(xiàn)上,以?xún)蓚鞲衅鞯闹行木€(xiàn)為中心,向兩邊每隔5cm選取一點(diǎn),每邊各選4點(diǎn)。測量數據如表1所示。由測量結果看出:左路和中路的測量誤差在2%以?xún)?右路的誤差偏大。這種差別與傳感器的安裝精度有關(guān),另,傳感器的性能也會(huì )導致這種差別。此外,測量的基準值40是通過(guò)目測得出的,這種測量誤差也會(huì )影響測量結果的誤差分析。

 

按以上測量方法,逐點(diǎn)探測測距系統的敏感度,可以得到測距系統測量范圍如圖3所示。從實(shí)驗標定的測量范圍看,測距系統有一小部分區域沒(méi)有探測到,這主要是受傳感器波束角的影響,對于非垂直于發(fā)射波束的目標,大波束角的傳感器可以獲得更強的回波信號,而波束角越窄對于減少散射波的干擾越有利[6]。選取一種波束角合適的傳感器對全方位測量是十分必要的。

 

 

 

實(shí)驗結果表明:在機器人的安全距離內,該測距系統能全方位、較精確地探測到其前方的環(huán)境狀況,并且,測量數據不會(huì )出現干擾,滿(mǎn)足機器人避障的需要。

 

 

本文設計了一種高性能的機器人測距系統,采用多傳感器并行工作的方式,提高了測距的實(shí)時(shí)性,系統干擾得到有效屏蔽,滿(mǎn)足移動(dòng)機器人避障的要求。如果系統加以改善還可以設計成汽車(chē)倒車(chē)雷達,提高汽車(chē)的安全性能。

 

參考文獻:

 

 

[1]汪云濤,鮑青山,王樹(shù)國,等.超聲探測系統在移動(dòng)式智能機器人中的應用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,30(1):20-23.

 

[2]楊寧.單片機與控制技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

 

[3]蘇煒,龔壁建,潘笑.超聲波測距誤差分析[J].傳感器技術(shù),2003(6):8-11.

 

[4]章小兵,宋愛(ài)國,唐鴻儒.基于單接受頭的超聲波多目標測距[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(5):1167-1169.

 

[5]NoykovS,RoumeninC.Calibrationandinterfaceofapolaroidu-ltrasonicsensorformobilerobots[J].SensorsandActuatorsA,2007,135(1):169-178.

 

[6]HerringtonDR.Ultrasonicrangefinderusesfewcomponen-ts[J].EDN,1999(6):23-26.