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超聲波傳感器在智能小車避障系統中的應用

0 引言

      智能小車 ,即輪式機器人,是移動機器人的一種, 是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統 。 隨著計算機科學的發展,可 以通過單片機控制來實現對其行駛方向、啟動、停止以及速度的控制 ,無需人工干預 ,操作人員可以通過修改智能小車的控制程序來改變它的行駛方式。 移動機器人的避障運動一直是一個重要課題 ,實現避障的方法主要有超聲避 障、視覺避 障、紅外傳感器、激光避障、接近覺傳感器、微波雷達等。 目前超聲避障實現方便、計算簡單、易于做到實時控制 ,并且在測量精度方面能達到實用的要求,因此成為常用的避障方法。

1 超聲波測距 系統組成及工作原理

       五路超聲波傳感器分別測量小車左方 、左前方 、前方、右前方、右方障礙物的距離,并根據所測數據采取相應 的避障措施。 超聲波傳感器位置如圖 1 所示。


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圖1 超聲波傳感器位置設置


      發射出的超聲波向空中四面八方直線傳播,遇到障礙物后 它可以發生反射。 接收器在收到由發射器傳來 的超聲波后 ,使內部的諧振片諧振,通過聲電轉換作用將聲能轉換為 電脈沖信號,然后輸入信號放大器,最后驅動執行器使電路動作 。本文采用的是渡越時間法 ,就是通過檢測
發射的超聲波與其遇到障礙物后產生回波之間的時間差 △t,求 出障礙物 的距離 d 。計算公式為 d = C* △t/2 , 其中 c = 331.4
, /1 + T/273為超聲波波速,T為環境 攝氏溫度。 在使用時,如果溫度變化不大 ,則可認為聲速是基本不變的;但如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償的方法加以校正。
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圖2 超聲波測距系統框圖

      超聲波發生器產生40kHz的方波 ,經脈沖調后驅動發射端 的超聲波傳感器,發出同頻率 的正弦波。 在每個調制脈沖到來時 ,換能器發出 8 一l2 個周期 的超聲波, 同時啟動單片機的計數器定時。 超聲波被測量目標反射后 由接收端的傳感器轉換為 電信號 ,經處理 電路后產生中斷, 同時單片機停止計數,然后 由計數差計算障礙物的距離。

2 電路設計

2.1超聲波發生電路

如圖3所示,根據超聲波傳感器的工作特點 ,選擇NE555產生 40K的方波, 占空比為50%, 電源電壓為5V。 脈沖調制由單片機PI.0口控制NE555的復位(RST) 引腳實現。P1.0 =1時,3 腳輸出40kHz 的方波,持續8 —12 個周期。 持續周期數若太少,難以正常激勵超聲波探頭,若太多則發射波與反射波容易產生疊加干擾,P1.0 = 0時,3 腳無信號輸出。低電平持續時間由測量距離決定,測量距離越大 ,低電平持續時間越長。

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圖 3 超聲波發生器以及信號調制前后對比

2.2 循環接收、發射電路

      循環發射 電路主要 采用一個多路模擬開關 CD4051 進行控制發射順序 ,如圖4 所示J。 IN H 是控制輸入引腳 ,該引腳呈邏輯高電平時,所有通道關閉,反之 ,通道開通狀態受地址選擇端 A ~C 控制。 圖 4 所示控制信號與圖3 中的控制信號相同,當為邏輯高電平時 ,N E555 的3 腳輸 出調制信號, 同時經反相器反相后 CD4051 正常工作。 在一路發射器發射完畢后,控制信號輸出低電平復位555 , 同時反相施加在4051 的引腳IN H 上 ,關閉所有通道。

循環接收電路同樣采用 CD405 1 , 電路同接收電路基本相同。 接收電路和發射電路采用相同的地址控制信號, 即發射組正好與接收組相對應 ,例如 1 號發射傳感器 與 1 號接收傳感器相對應。 接收端 CD405 1的 IN H 引腳 由單片機 PI. 2 控制 , 當一路發射器脈沖發射完畢后 ,經過一定 的盲區延時, PI.2 輸出低電平 ,接通相應通道。 低 電平持續時間與 P I.0 控制信號相 同,如果在控制信號低 電平這段時間內沒有檢測到回波信號,則 P1. 2 輸出高電平禁止再接收 ,如果檢測到回波信號 ,停止計數器計數 ,讀取計數值 ,進入下一通道的發射與接收。

2.3 接收處理電路

      如圖5 所示 ,超聲波接收電路一般 由以下幾個部分組成 ,前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波 、施密特整形輸出電路,為了減少干擾又有足夠的放大增益 ,還 能大大 簡化電路, 使系統更 穩定 ,本文采用了紅外線接收電路 的芯片 CX 20106 。該芯片是 日本索尼公司生產的紅外專用集成芯片 ,也可用于超聲波檢測。

      超聲接發端接 收到的信號經電容 C4 耦合后輸入 1 端, 總增益大小 由2 腳接收器的電阻和電容決定 ,通常選用參數為 R 1 = 4. 7ft,C 1 = II.~F。 3 腳為檢波電容, 電容量大為平均值檢波,瞬間相應靈敏度低;若容量小,則為峰值檢波, 瞬間相應靈敏度高,但檢波輸出的脈沖寬度變動大,易造成誤動作 ,推薦參數為 3.3d 。 5 腳與地之間接人一個電阻 ,改變阻值 ,可改變載波信號 的接收頻率, 取 R = 2~ kf l 時, fo~ 42 kH z ,若取 R = 220k~ ,則中心頻率 3 8kH z。6 腳為積分 電容, 一般取 330PF , 如果該 電容取得太大,會使探測距離變短。 7 腳為輸出端 , 它是集電極開路輸出方式 ,因此該引腳必須接上一個上拉電阻到 電源端 , 推薦阻值為 22kf l 。 8 腳 為 電源。因此在允許接收的這段時間內如果沒有檢測到回波信號,則是該端輸出為高電平,若有信號時則產生下降【4】。 因此利用這一特點 ,將 7 腳輸 出信號接至 89C52 的 Ex ,當檢測到障礙物時 ,7 腳輸出個低脈沖,并將定時器 2 中的 TL2 和 TII2 當前值各 自捕獲到 RCA ~ L 和 R CA~ H 中, 同時引起中斷。

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圖 5 超聲波接收電路
3 系統軟件設計
     本系統采用 STC89C52 作為主控芯片 ,其內部有 5 12 K 的數據存儲器和 8K 的程序存儲器 ,并有 -ID 、T1 、rI2 共 3 個定時器可供使用 。程序流程圖如圖6 所示。 NE555 產生的 40K 方波經過 P1. 0 信號調制后,通過 C ~ 051 選擇通道,然后驅動傳感器發出超聲波。 超聲波遇到障礙物反射后 ,傳到超聲波接收端,這個信號經過紅外處理芯片后送到單片機。 當 c)(20lo6 捕捉到 40 kH z 的超聲波后其輸出引腳由高電平變為低電平 ,這個引腳上 的負跳變可作中斷來引起單片機中斷。 在中斷服務程序中,定時器停止計數 ,定時器定時時間即為超聲波從發射到接收的時間差,再根據 S = v V 2 就可以算出來測量的距離。 最后單片機再根據五路傳感器所測障礙物的距離采取相應的避障措施 。

4 誤差分析及補償
     測距系統一般由超聲波發送、接收、時間計測 、微機控制和計算距離五個部分組成。 提高測量精度常用 的措施有提高計時精度 、減少時間量化誤差和補償溫度對傳播聲速的影響。 由于本系統對精度要求不高,可采用單片機定時并認為超聲波速度恒定。

5 結語
     本文設計了智能小車 的自動避障系統 , 該系統設計簡單、成本低、實時性好,在室內環境中取得 了預期的實驗結果 ,使智能小車無碰撞地避開障礙物。 該系統有抗干擾能力強、控制過程簡單 、精度高和成本低等突出的特點,可以廣泛應用于門禁系統、小 區巡邏、實地勘測、智能玩具等領域 ,市場前景廣闊,具有很大經濟效益。



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