超聲波測(cè)距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、    超聲波測(cè)距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用        陸 軍， 米文龍， 朱齊丹， 王 時(shí)間:2008年04月21日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：關(guān)鍵詞： 超聲波 移動(dòng)機(jī)器人 測(cè)距 避障在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，為完成移動(dòng)機(jī)器人自

2、主避碰導(dǎo)航，需要建立移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距避碰導(dǎo)航系統(tǒng)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)避障、定位、地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃的功能。但超聲波傳感器具有測(cè)距角度不大和方向性差的特點(diǎn)，一路超聲波測(cè)距系統(tǒng)并不能完全滿足高精度的測(cè)距與避障要求。為了達(dá)到高精度、高準(zhǔn)確性的要求，可在移動(dòng)機(jī)器人的硬件構(gòu)架中增加測(cè)距電路的通道數(shù)，對(duì)單一傳感器的角度局限性進(jìn)行補(bǔ)償。本系統(tǒng)采用12路超聲波測(cè)距通道，利用角度補(bǔ)償方式使得前方主要障礙物的方位與距離信息更加準(zhǔn)確。超聲波測(cè)距多采用渡越時(shí)間法，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射到返回的時(shí)間間隔進(jìn)行距離的計(jì)算。由于時(shí)間與超聲波通過(guò)的距離成正比，當(dāng)超聲波發(fā)射端發(fā)出幾個(gè)振蕩脈沖時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)；而當(dāng)超聲波接收端接收到第一個(gè)返

3、回脈沖后，計(jì)時(shí)停止。測(cè)得距離值D=CT/2，其中D為傳感器探頭與被測(cè)物之間的距離，C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度(C=331.4×m/s，t為攝氏溫度)，T為超聲發(fā)射到返回的時(shí)間間隔。1 基于超聲波測(cè)距的機(jī)器人避障系統(tǒng)硬件框架機(jī)器人避障系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲波測(cè)距系統(tǒng)感測(cè)距離，再將距離信息送入基于PC104的主機(jī)486/SX，并由主機(jī)支配機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分躲避障礙物，完成整個(gè)避障過(guò)程。1.1 超聲波發(fā)送電路超聲波的發(fā)送電路原理圖如圖2所示。來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)A觸發(fā)NE555定時(shí)器電路產(chǎn)生頻率為40kHz左右方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)CD4069六非門(mén)反相器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送傳感器T40-1

4、6，發(fā)送超聲波。1.2 超聲波接收電路當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時(shí)，超聲波接收傳感器R40-16接收回波，由于回波電壓值只在毫伏量級(jí)，所以采用LM324的兩級(jí)放大電路進(jìn)行幅值放大，放大后的波形信號(hào)送到LM567集成鎖相環(huán)路解碼器，調(diào)節(jié)電阻與電容值，將頻率f鎖在40kHz(f=1/(1.1R11×C8)。當(dāng)放大信號(hào)大于25mV時(shí)，就會(huì)在8引腳產(chǎn)生高電平信號(hào)B送到單片機(jī)處理。原理圖如圖3所示。1.3 MCS-51單片機(jī)控制電路單片機(jī)對(duì)收發(fā)電路的控制主要是對(duì)發(fā)射超聲波控制電路進(jìn)行計(jì)數(shù)初始化，單循環(huán)方式使12路發(fā)送電路依次發(fā)送和接收超聲波，單獨(dú)進(jìn)行距離的時(shí)間計(jì)數(shù)。這樣的目的是使計(jì)數(shù)程序避免受硬件

5、回波間的干擾影響，計(jì)數(shù)更準(zhǔn)確。單片機(jī)只有8位的數(shù)據(jù)口，系統(tǒng)要對(duì)12路收發(fā)電路進(jìn)行控制，故需要對(duì)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展。8255芯片有8位數(shù)據(jù)口，A、B、C三個(gè)輸入輸出端口，還有一個(gè)控制口。單片機(jī)的8位P1.0P1.7口與8255的D0D7相連接。而采用A口和C口低4位配合構(gòu)成發(fā)送端口，12路輸出A1A12正好滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)B口和C口高4位配合工作構(gòu)成12路接收端口B1B12。利用Ai與Bi對(duì)應(yīng)成為發(fā)送信號(hào)與回波信號(hào)，組成12路超聲波測(cè)距收發(fā)通道。12路的數(shù)據(jù)信息通過(guò)8255芯片進(jìn)行傳遞，對(duì)12路收發(fā)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。單片機(jī)完成收發(fā)動(dòng)作后就將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值送到緩存區(qū)，等待與主機(jī)486

6、/SX間的串口通訊，達(dá)成協(xié)議后即可將計(jì)數(shù)值送入主機(jī)。串口通訊硬件電路由具有電平轉(zhuǎn)換功能的MAX232芯片及外圍元件組成。2 測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的收發(fā)控制及其與主機(jī)486/SX間的串口通訊。軟件方框圖如圖5所示。測(cè)距軟件主要是順序循環(huán)進(jìn)行，首先讓第一通道發(fā)送200s的一段超聲波，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。延時(shí)1.765ms的目的是為了避免超聲波的虛假回波影響，產(chǎn)生錯(cuò)誤距離信息。在延時(shí)后開(kāi)始接收回波，如果有回波就停止計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值送到主機(jī)486/SX。如果在40ms內(nèi)沒(méi)有回波，停止計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)入下一通道，說(shuō)明該通道在測(cè)距范圍內(nèi)沒(méi)有障礙物。40ms是由測(cè)距的最大距離決定的。這樣就完成了一個(gè)通

7、道的測(cè)距計(jì)數(shù)功能，同理依次循環(huán)就可以得到12路的計(jì)數(shù)信息。計(jì)數(shù)值送到基于PC104的主機(jī)486/SX后與溫度補(bǔ)償模塊測(cè)得的溫度值一起通過(guò)公式完成對(duì)距離的計(jì)算。當(dāng)主機(jī)486/SX獲得周?chē)恼系K物距離值后，將支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊按最優(yōu)路徑運(yùn)動(dòng)。?3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用根據(jù)人類的自身特點(diǎn)，眼睛主要能看到前方大約180度的視野范圍。所以在移動(dòng)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)中筆者采用12路超聲測(cè)距電路非均勻分布，移動(dòng)機(jī)器人的前方分布6路、后方2路、左右各2路。前方6路與左右側(cè)的兩路呈等間隔角度分布，構(gòu)成了180度的測(cè)距范圍。左右兩路和后方兩路分布只對(duì)一定寬度的單方向進(jìn)行距離測(cè)量。這種方式補(bǔ)償

8、了由于單一測(cè)距電路的測(cè)距角度小而造成的動(dòng)作誤差，從而提高了獲得距離信息的可信度和避障的精度。超聲波測(cè)距電路分布簡(jiǎn)圖如圖6所示，其中每一黑色塊代表一組收發(fā)電路，雙向箭頭表示超聲波傳遞方向。本超聲波系統(tǒng)的測(cè)距范圍為30cm650cm，誤差為±3cm。當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)功率增大時(shí)，最大測(cè)距增大，但此時(shí)盲區(qū)也將增大。由于機(jī)器人的自身尺寸限制，在1.765ms的盲區(qū)約30cm左右，已經(jīng)很大。所以為了減小盲區(qū)，必須犧牲測(cè)距最大距離。測(cè)距系統(tǒng)僅僅能滿足水平方向上的距離測(cè)量，實(shí)現(xiàn)單一的避障功能。本實(shí)驗(yàn)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)還配備了全景視覺(jué)系統(tǒng)。全景視覺(jué)系統(tǒng)可以將環(huán)境內(nèi)的物體圖像記錄于機(jī)器人主機(jī)中，并提供了環(huán)境障礙

9、物的縱向距離信息。通過(guò)測(cè)距系統(tǒng)與360度的全景視覺(jué)系統(tǒng)間的信息融合，可以進(jìn)行地圖的構(gòu)建，實(shí)時(shí)定位，進(jìn)而完成機(jī)器人的避障導(dǎo)航。通過(guò)對(duì)12路測(cè)距電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，證明了采用非均勻分布方式有效地增加了移動(dòng)機(jī)器人的探測(cè)角度，在一次循環(huán)測(cè)距后得到周?chē)蠓秶恼系K物的距離信息，為避障動(dòng)作提供了最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)路徑。機(jī)器人獲得的距離信息可信度高、方向性好、避障動(dòng)作準(zhǔn)確。在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中很好地完成了避碰導(dǎo)航和地圖構(gòu)建任務(wù)。參考文獻(xiàn) 1 應(yīng)崇福.超聲學(xué)M.北京：科學(xué)出版社，1998.2?胡偉.傳感器接口技術(shù)M.北京：清華大學(xué)出版，1997.3?余永權(quán)單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社,2000.4 ?趙珂高準(zhǔn)確度超聲波測(cè)距儀的研制傳感器技術(shù)J,2003,(2).5?王福瑞單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19986?SHOVAL S，BORENSTEIN JUsing coded singals to benefit from ultr