摘 要： 給出了基于單片機控制的超聲波測距" title="超聲波測距">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)" title="測距系統(tǒng)">測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" title="超聲波測距系統(tǒng)">超聲波測距系統(tǒng)" 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關(guān)鍵詞： 超聲波 移動機器人 測距 避障
在移動機器人系統(tǒng)中,，為完成移動機器人自主避碰導(dǎo)航,，需要建立移動機器人的測距避碰導(dǎo)航系統(tǒng)。超聲波測距系統(tǒng)可以實現(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距角度不大和方向性差的特點,，一路超聲波測距系統(tǒng)并不能完全滿足高精度的測距與避障要求。為了達到高精度,、高準確性的要求,，可在移動機器人的硬件構(gòu)架中增加測距電路的通道數(shù)，對單一傳感器的角度局限性進行補償,。本系統(tǒng)采用12路超聲波測距通道,，利用角度補償方式使得前方主要障礙物的方位與距離信息更加準確。
超聲波測距多采用渡越時間法,，通過檢測發(fā)射到返回的時間間隔進行距離的計算,。由于時間與超聲波通過的距離成正比，當超聲波發(fā)射端發(fā)出幾個振蕩脈沖時,，開始計時,；而當超聲波接收端接收到第一個返回脈沖后，計時停止,。測得距離值D=CT/2,，其中D為傳感器探頭與被測物之間的距離，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)射到返回的時間間隔。
1 基于超聲波測距的機器人避障系統(tǒng)硬件框架
機器人避障系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示,。超聲波測距系統(tǒng)感測距離,，再將距離信息送入基于PC104的主機486/SX，并由主機支配機器人運動部分躲避障礙物,，完成整個避障過程,。
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。來自單片機的信號A觸發(fā)NE555定時器電路產(chǎn)生頻率為40kHz左右方波信號,，經(jīng)過CD4069六非門反相器進行功率放大,，驅(qū)動超聲波發(fā)送傳感器T40-16，發(fā)送超聲波。
1.2 超聲波接收電路
當超聲波遇到障礙物返回時,，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，所以采用LM324的兩級放大電路進行幅值放大,，放大后的波形信號送到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)),。當放大信號大于25mV時,，就會在8引腳產(chǎn)生高電平信號B送到單片機處理。原理圖如圖3所示,。
1.3 MCS-51單片機控制電路
超聲波收發(fā)電路" title="收發(fā)電路">收發(fā)電路主要完成數(shù)據(jù)的采集和初步處理,，處理后的數(shù)據(jù)送到單片機，進行最終的數(shù)據(jù)處理,。單片機控制電路主要完成發(fā)送與關(guān)閉控制信號,、計時、接收回波信號和串口通信等工作,。電路原理圖如圖4所示,。
單片機對收發(fā)電路的控制主要是對發(fā)射超聲波控制電路進行計數(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,，單獨進行距離的時間計數(shù),。這樣的目的是使計數(shù)程序避免受硬件回波間的干擾影響，計數(shù)更準確,。單片機只有8位的數(shù)據(jù)口,，系統(tǒng)要對12路收發(fā)電路進行控制，故需要對單片機的I/O端口進行擴展,。8255芯片有8位數(shù)據(jù)口,，A、B,、C三個輸入輸出端口,，還有一個控制口。單片機的8位P1.0~P1.7口與8255的D0~D7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A1~A12正好滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，同時B口和C口高4位配合工作構(gòu)成12路接收端口B1~B12,。利用Ai與Bi對應(yīng)成為發(fā)送信號與回波信號,，組成12路超聲波測距收發(fā)通道。12路的數(shù)據(jù)信息通過8255芯片進行傳遞,，對12路收發(fā)電路進行實時控制,。
單片機完成收發(fā)動作后就將計數(shù)器的計數(shù)值送到緩存區(qū),，等待與主機486/SX間的串口通訊，達成協(xié)議后即可將計數(shù)值送入主機,。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 測距系統(tǒng)軟件設(shè)計
測距系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)單片機的收發(fā)控制及其與主機486/SX間的串口通訊。軟件方框圖如圖5所示,。測距軟件主要是順序循環(huán)進行,，首先讓第一通道發(fā)送200μs的一段超聲波，啟動計數(shù)器,。延時1.765ms的目的是為了避免超聲波的虛假回波影響,，產(chǎn)生錯誤距離信息。在延時后開始接收回波,，如果有回波就停止計數(shù)并將計數(shù)值送到主機486/SX,。如果在40ms內(nèi)沒有回波，停止計數(shù)并轉(zhuǎn)入下一通道,，說明該通道在測距范圍內(nèi)沒有障礙物,。40ms是由測距的最大距離決定的。這樣就完成了一個通道的測距計數(shù)功能,，同理依次循環(huán)就可以得到12路的計數(shù)信息。計數(shù)值送到基于PC104的主機486/SX后與溫度補償模塊測得的溫度值一起通過公式完成對距離的計算,。當主機486/SX獲得周圍的障礙物距離值后,，將支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)運動模塊按最優(yōu)路徑運動。
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3 超聲波測距系統(tǒng)在移動機器人系統(tǒng)中的應(yīng)用
根據(jù)人類的自身特點,，眼睛主要能看到前方大約180度的視野范圍,。所以在移動機器人硬件結(jié)構(gòu)中筆者采用12路超聲測距電路非均勻分布，移動機器人的前方分布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度的測距范圍,。左右兩路和后方兩路分布只對一定寬度的單方向進行距離測量。這種方式補償了由于單一測距電路的測距角度小而造成的動作誤差,，從而提高了獲得距離信息的可信度和避障的精度,。超聲波測距電路分布簡圖如圖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)的測距范圍為30cm~650cm，誤差為±3cm,。
當提供的驅(qū)動功率增大時,，最大測距增大，但此時盲區(qū)也將增大。由于機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),，必須犧牲測距最大距離,。
測距系統(tǒng)僅僅能滿足水平方向上的距離測量，實現(xiàn)單一的避障功能,。本實驗移動機器人系統(tǒng)還配備了全景視覺系統(tǒng),。全景視覺系統(tǒng)可以將環(huán)境內(nèi)的物體圖像記錄于機器人主機中，并提供了環(huán)境障礙物的縱向距離信息,。通過測距系統(tǒng)與360度的全景視覺系統(tǒng)間的信息融合,，可以進行地圖的構(gòu)建，實時定位,，進而完成機器人的避障導(dǎo)航,。
通過對12路測距電路設(shè)計與調(diào)試，證明了采用非均勻分布方式有效地增加了移動機器人的探測角度,，在一次循環(huán)測距后得到周圍大范圍的障礙物的距離信息,，為避障動作提供了最優(yōu)的運動路徑。機器人獲得的距離信息可信度高,、方向性好,、避障動作準確。在移動機器人的應(yīng)用中很好地完成了避碰導(dǎo)航和地圖構(gòu)建任務(wù),。
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