超聲波傳感器在智能小車(chē)避障系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘要：本文為實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的避障要求，設(shè)計(jì)了一套超聲波傳感器測(cè)距系統(tǒng)。首先介紹了超聲波傳感器工作原理和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，并詳細(xì)說(shuō)明了使用CD4051的簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)多路超聲波信號(hào)的循環(huán)發(fā)射與接收電路以及接收芯片CX20106的使用情況，最后給出了如何提高精度的方法，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

　　智能小車(chē)，即輪式機(jī)器人，是移動(dòng)機(jī)器人的一種，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展可以通過(guò)單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其行駛方向、啟動(dòng)、停止以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)，操作人員可以通過(guò)修改智能小車(chē)的控制程序來(lái)改變它的行駛方式。移動(dòng)機(jī)器人的避障運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)重要課題，實(shí)現(xiàn)避障的方法主要有超聲波避障、視覺(jué)避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達(dá)等。目前超聲波避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到實(shí)用的要求，因此成為常用的避障方法。

　　一、超聲波測(cè)距系統(tǒng)組成及工作原理

　　本系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，五路超聲波傳感器分別測(cè)量小車(chē)左方、左前方、前方、右前方、右方障礙物的距離，并根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的避障措施。超聲波傳感器位置如圖1所示。

　　圖1超聲波傳感器位置設(shè)置

　　超聲波傳感器的工作原理如下：當(dāng)40KHz的脈沖電信號(hào)輸入后，由壓電陶瓷激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)錐形輻射器將超聲振動(dòng)信號(hào)向外發(fā)射出去;發(fā)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(fā)生反射;接收器在收到由發(fā)射器傳來(lái)的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換作用將聲能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，然后輸入信號(hào)放大器，最后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器使電路動(dòng)作。

　　本文采用的是渡越時(shí)間法，就是通過(guò)檢測(cè)發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差Δt，求出障礙物的距離d，計(jì)算公式為d=c＊Δt2（其中

　　為超聲波波速，T為環(huán)境攝氏溫度）。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，但如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

　　本文應(yīng)用的是TCT40-10RT接收分體式壓電陶瓷超聲波傳感器，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　圖2超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖

　　超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40kHz的方波，經(jīng)脈沖調(diào)后驅(qū)動(dòng)發(fā)射端的超聲波傳感器，發(fā)出同頻率的正弦波;在每個(gè)調(diào)制脈沖到來(lái)時(shí)，換能器發(fā)出8-12個(gè)周期的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器定時(shí);超聲波被測(cè)量目標(biāo)反射后由接收端的傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)處理電路后產(chǎn)生中斷，同時(shí)單片機(jī)停止計(jì)數(shù)，然后由計(jì)數(shù)差計(jì)算障礙物的距離。

　　二、電路設(shè)計(jì)

　?。ㄒ唬┏暡òl(fā)生電路

　　圖3超聲波發(fā)生器以及信號(hào)調(diào)制前后對(duì)比

　　根據(jù)超聲波傳感器的工作特點(diǎn)，選擇NE555產(chǎn)生40kHz的方波，占空比為50%，電源電壓為5V，脈沖調(diào)制由單片機(jī)P1.0口控制NE555的復(fù)位（RST）引腳實(shí)現(xiàn)。P1.0=1時(shí)，3腳輸出40kHz的方波，持續(xù)8-12個(gè)周期（持續(xù)周期數(shù)若太少，難以正常激勵(lì)超聲波探頭，若太多則發(fā)射波與反射波容易產(chǎn)生疊加干擾）;P1.0=0時(shí)，3腳無(wú)信號(hào)輸出。低電平持續(xù)時(shí)間由測(cè)量距離決定，測(cè)量距離越大，低電平持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)（如圖3所示）。

　?。ǘ┭h(huán)接收、發(fā)射電路

　　循環(huán)發(fā)射電路主要采用一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051進(jìn)行控制發(fā)射順序，如圖4所示。INH是控制輸入引腳，該引腳呈邏輯高電平時(shí)，所有通道關(guān)閉;反之，通道開(kāi)通狀態(tài)受地址選擇端A～C控制。圖4所示控制信號(hào)與圖3中的控制信號(hào)相同，當(dāng)為邏輯高電平時(shí)，NE555的3腳輸出調(diào)制信號(hào)，同時(shí)經(jīng)反相器反相后CD4051正常工作。在一路發(fā)射器發(fā)射完畢后，控制信號(hào)輸出低電平復(fù)位555，同時(shí)反相施加在4051的引腳INH上，關(guān)閉所有通道。

　　圖4超聲波循環(huán)發(fā)射電路

　　循環(huán)接收電路同樣采用CD4051，電路同接收電路基本相同。接收電路和發(fā)射電路采用相同的地址控制信號(hào)，即發(fā)射組正好與接收組相對(duì)應(yīng)，例如1號(hào)發(fā)射傳感器與1號(hào)接收傳感器相對(duì)應(yīng)，接收端CD4051的INH引腳由單片機(jī)P1.2控制，當(dāng)一路發(fā)射器脈沖發(fā)射完畢后，經(jīng)過(guò)一定的盲區(qū)延時(shí)，P1.2輸出低電平，接通相應(yīng)通道。低電平持續(xù)時(shí)間與P1.0控制信號(hào)相同，如果在控制信號(hào)低電平這段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到回波信號(hào)，則P1.2輸出高電平禁止再接收，如果檢測(cè)到回波信號(hào)，停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)值，進(jìn)入下一通道的發(fā)射與接收。

　　（三）接收處理電路

　　超聲波接收電路一般由以下幾個(gè)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(jiǎn)化電路，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。本文主要采用紅外線接收電路的芯片CX20106，該芯片是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外專(zhuān)用集成芯片，也可用于超聲波檢測(cè)。

　　如圖5所示，超聲接發(fā)端接收到的信號(hào)經(jīng)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(shù)為R1=4.7Ψ，C1=1μF，3腳為檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低，若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3μf;5腳與地之間接入一個(gè)電阻，改變阻值，可改變載波信號(hào)的接收頻率，取R=200kΨ時(shí)，f0≈42kHz，若取R=220kΨ，則中心頻率f0≈38kHz;6腳為積分電容，一般取330PF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短;7腳為輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kΨ;8腳為電源，因此在允許接收的這段時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有檢測(cè)到回波信號(hào)，則是該端輸出為高電平，若有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。利用這一特點(diǎn)，將7腳輸出信號(hào)接至89C52的T2EX，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，7腳輸出一個(gè)低脈沖，并將定時(shí)器2中的TL2和TH2當(dāng)前值各自捕獲到RCAP2L和RCAP2H中，同時(shí)引起中斷。

　　圖5超聲波接收電路

　　三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C52作為主控芯片，其內(nèi)部有512K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和8K的程序存儲(chǔ)器，并有T0、T1、T2共3個(gè)定時(shí)器可供使用（程序流程圖如圖6所示）。NE555產(chǎn)生的40kHz方波經(jīng)過(guò)P1.0信號(hào)調(diào)制后，通過(guò)CD4051選擇通道，然后驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)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(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)紅外處理芯片后送到單片機(jī)。當(dāng)CX20106捕捉到40kHz的超聲波后其輸出引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，這個(gè)引腳上的負(fù)跳變可作中斷來(lái)引起單片機(jī)中斷。在中斷服務(wù)程序中，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，再根據(jù)S=v＊t/2就可以算出來(lái)測(cè)量的距離，最后單片機(jī)再根據(jù)五路傳感器所測(cè)障礙物的距離采取相應(yīng)的避障措施。

　　圖6系統(tǒng)軟件框圖

　　四、誤差分析及補(bǔ)償

　　測(cè)距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測(cè)、微機(jī)控制和計(jì)算距離五個(gè)部分組成。若想提高測(cè)量精度、常用的措施有提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差和補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響。由于本系統(tǒng)對(duì)精度要求不高，可采用單片機(jī)定時(shí)并認(rèn)為超聲波速度恒定。

　　本文設(shè)計(jì)的智能小車(chē)自動(dòng)避障系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)時(shí)性好，在室內(nèi)環(huán)境中取得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使智能小車(chē)無(wú)碰撞地避開(kāi)障礙物，該系統(tǒng)有抗干擾能力強(qiáng)、控制過(guò)程簡(jiǎn)單、精度高和成本低等突出的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)、小區(qū)巡邏、實(shí)地勘測(cè)、智能玩具等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。