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超聲波傳感器在智能小車(chē)避障系統(tǒng)中的應(yīng)用0 引言 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避 障、視覺(jué)避 障、紅外傳感器、激光避障、接近覺(jué)傳感器、微波雷達(dá)等。 目前超聲避障實(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。 1 超聲波測(cè)距 系統(tǒng)組成及工作原理 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。
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) 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 一l2 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。 2 電路設(shè)計(jì) 2.1超聲波發(fā)生電路 如圖3所示，根據(jù)超聲波傳感器的工作特點(diǎn) ，選擇NE555產(chǎn)生 40K的方波， 占空比為50％， 電源電壓為5V。 脈沖調(diào)制由單片機(jī)PI.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)。
圖 3 超聲波發(fā)生器以及信號(hào)調(diào)制前后對(duì)比 2.2 循環(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J。 IN H 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) ，N E555 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IN H 上 ，關(guān)閉所有通道。 循環(huán)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(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 CD405 1的 IN H 引腳 由單片機(jī) PI． 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)， PI．2 輸出低電平 ，接通相應(yīng)通道。 低 電平持續(xù)時(shí)間與 P I．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。 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(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(chǎn)的紅外專(zhuān)用集成芯片 ，也可用于超聲波檢測(cè)。 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 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(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 3．3d 。 5 腳與地之間接人一個(gè)電阻 ，改變阻值 ，可改變載波信號(hào) 的接收頻率， 取 R = 2~ kf l 時(shí)， 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(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 22kf l 。 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【4】。 因此利用這一特點(diǎn) ，將 7 腳輸 出信號(hào)接至 89C52 的 Ex ，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 TII2 當(dāng)前值各 自捕獲到 RCA ~ L 和 R CA~ H 中， 同時(shí)引起中斷。 4 誤差分析及補(bǔ)償 5 結(jié)語(yǔ) |
