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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。
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 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。 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 腳輸出一 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。 4 誤差分析及補償 5 結語 |