傳感器是人工智能研究中非常重要的一環(huán)，要想要讓機(jī)器更加智能，就需要用傳感器來(lái)賦予它們像人一樣的各種感官。文章結(jié)合了紅外線傳感器測(cè)距較短、精度較高，超聲波傳感器測(cè)距較長(zhǎng)、精度較低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款以 STM32 單片機(jī)為核心，將紅外線傳感器 GP2Y0A02YK0F 與超聲波傳感器 HC-SR04 融合的新型測(cè)距系統(tǒng)，并優(yōu)化了測(cè)距算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以彌補(bǔ)單一傳感器測(cè)距性能的不足，提高了測(cè)距精度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。將該新型測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用到智能無(wú)人小車(chē)的控制系統(tǒng)中，可提升小車(chē)的避障性能，效果顯著。
0 引言
紅外線傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)精度高但是測(cè)量距離較短，而超聲波傳感器的測(cè)量距離長(zhǎng)但精度較低 [1], 所以本文選用在性能上互補(bǔ)的超聲波傳感器和紅外線傳感器融合使用，結(jié)合兩種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，將二者測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法融合，在一段較長(zhǎng)的測(cè)距范圍內(nèi)得到更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。新的測(cè)距系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)人車(chē)、機(jī)器人等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值 [2-3]。
1 新型測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)方案：分別使用紅外線和超聲波傳感器測(cè)量一組距離數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，利用融合算法計(jì)算出第 3 組數(shù)據(jù)，并利用實(shí)驗(yàn)值修正算法參數(shù)。將修正后的第 3 組數(shù)據(jù)作為最終測(cè)距值，測(cè)量范圍為 20 ～ 150cm。將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂贫诉M(jìn)行監(jiān)測(cè)，接收部分在接收到數(shù)據(jù)后，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終形成可視化輸出 [4]。
本系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，分別是使用STM32F103ZET6 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的控制部分、使用 HC-SR04 超聲波傳感器和 GP2Y0A02YK0F 紅外線傳感器進(jìn)行初次測(cè)距的測(cè)距部分以及使用 HC-05藍(lán)牙模塊連接主機(jī)與控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸部分。主機(jī)在接收到信號(hào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)測(cè)，并利用LCD1602 顯示屏顯示數(shù)據(jù)。具體的測(cè)距系統(tǒng)方案。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 控制部分
本文選用 STM32F103ZET6 芯片作為微處理器，該芯片成本低、功耗低，但是運(yùn)算功能強(qiáng)大、功能眾多，可以根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)先后執(zhí)行中斷程序，能夠滿足本系統(tǒng)的需求。
2.2 測(cè)距部分
超聲波在傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)會(huì)被反射，利用超聲波的這一特性便可以進(jìn)行超聲波測(cè)距。
設(shè)計(jì)選用 HC-SR04 超聲波傳感器模塊作為超聲波測(cè)距部分，此模塊性能穩(wěn)定，測(cè)量范圍為 2～ 400cm，測(cè)量距離大、盲區(qū)小，擁有高達(dá) 0.3cm 的測(cè)距精度。將超聲波傳感器發(fā)射端對(duì)著被測(cè)對(duì)象發(fā)射，超聲波傳感器的接收端接收到反射回的超聲波后，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差就可以計(jì)算超聲波的傳播距離。
紅外線測(cè)距部分選用夏普 gp2y 系列的紅外線傳感器，夏普的紅外線測(cè)距傳感器采用三角測(cè)量原理。三角測(cè)量是一種間接測(cè)量目標(biāo)距離的方法，又叫三邊量測(cè)法。設(shè)計(jì)將目標(biāo)定為一個(gè)三角形的第 3 個(gè)點(diǎn)，當(dāng)確定了一條邊長(zhǎng)和發(fā)射光線、反射光線的兩個(gè)角度后，可以由此計(jì)算出與目標(biāo)的距離。紅外線傳感器測(cè)量原理，如圖 2 所示。利用數(shù)學(xué)的幾何知識(shí)，傳感器到物體的距離 D，可以由如下公式求得：
式（1）中， D 是待測(cè)距離，L 是 CCD 檢器接收到信號(hào)后的偏移值， X 是發(fā)射器與接收器中心之間的距離， f 是受光透鏡焦距。
在型號(hào)的選擇上，綜合考慮了超聲波傳感器的測(cè)距范圍與設(shè)計(jì)目標(biāo)，本系統(tǒng)最終選擇使用GP2Y0A02YK0F 紅外線傳感器。這款紅外線測(cè)距傳感器測(cè)量精度高，測(cè)量范圍在 20 ～ 150cm。
2.3 信號(hào)傳輸部分
信號(hào)傳輸部分選用 HC-05 藍(lán)牙模塊。HC-05 藍(lán)牙模塊有 6 個(gè)引腳，除了接正極與接地的引腳以及用于檢測(cè)藍(lán)牙模塊連接狀態(tài)的 LED 引腳外，還有 TXD和 RXD 引腳以及 KEY 引腳。HC-05 支持使用標(biāo)準(zhǔn)AT 命令，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入特殊命令模式，然后再進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，這樣就可以與其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信，通信距離可以達(dá)到 10m�？刂贫送ㄟ^(guò) HC-05 藍(lán)牙模塊接收小車(chē)傳來(lái)的紅外線測(cè)距數(shù)據(jù)、超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的最終數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行記錄與監(jiān)測(cè)。
LCD1602 液晶顯示器是一種字符顯示器，在顯示時(shí)，有兩行內(nèi)容，每行有 16 個(gè)字符的顯示器，總共擁有 16 個(gè)引腳。LCD1602 主要顯示經(jīng)過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理后的最終數(shù)據(jù)，也就是測(cè)得的小車(chē)與前放障礙物之間的距離。
2.4 無(wú)人車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
為了驗(yàn)證測(cè)距系統(tǒng)的有效性，將系統(tǒng)搭載在四輪式智能無(wú)人車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。由于超聲波測(cè)距傳感器的有效距離小于紅外線測(cè)距傳感器的有效距離，所以系統(tǒng)的最小探測(cè)距離為 2cm，在傳感器安裝時(shí)，要確保發(fā)射端與小車(chē)最前端的距離大于 2cm。
3 測(cè)距算法設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，要使系統(tǒng)完成在 20 ～ 150cm 的高精度測(cè)量，應(yīng)首先由超聲波測(cè)距傳感器和紅外線測(cè)距傳感器進(jìn)行一次測(cè)量，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行處理，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立的數(shù)據(jù)模型來(lái)得到最接近實(shí)際距離的參數(shù)，最后輸出測(cè)量距離。
3.1 超聲波測(cè)距
HC-SR04采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供一個(gè)10us以上的高電平脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊內(nèi)部將會(huì)發(fā)送8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)返回時(shí)，輸出回響信號(hào)�；仨懶盘�(hào)的脈沖寬度與測(cè)量距離成正比。回響信號(hào)的脈沖寬度為高電平持續(xù)時(shí)間， T 是高電平持續(xù)時(shí)間。表達(dá)式如下：
式（2）中， V 是聲音的速度，具體為 340m/s，T 高電平持續(xù)時(shí)間，也就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。
如果發(fā)射信號(hào)的周期太短，那么發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)回響信號(hào)產(chǎn)生影響，因此設(shè)置脈沖觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射周期為 100ms。
3.2 紅外線測(cè)距
紅外線模塊在使用中通常會(huì)受被測(cè)物體的材質(zhì)、溫度、物體表面粗糙度、被測(cè)物體的光學(xué)顏色等的因素影響。但是在本系統(tǒng)中，被測(cè)物體的因素對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響會(huì)因?yàn)榧t外線傳感器的不同而大大降低。傳感器輸出的電壓值與被測(cè)距離之間存在映射關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電壓值就可以得到所測(cè)的距離。夏普的gp2y 系列紅外線傳感器每個(gè)型號(hào)的輸出曲線都不同。GP2Y0A02YK0F 傳感器特性曲線如圖 3 所示，這是制造商給出的 0A02 型號(hào)傳感器的參考特性曲線。從圖 3中可以看到，該傳感器存在的最小探測(cè)距離為 20cm。
圖 3 GP2Y0A02YK0F 傳感器特性曲線
3.3 算法設(shè)計(jì)
在得到紅外線測(cè)量的數(shù)據(jù) L 1 和超聲波測(cè)量的數(shù)據(jù) L 2 后，與實(shí)際距離進(jìn)行比對(duì)，得到參數(shù) k 1 和 k 2，采用平均算法，修正距離值：
在不同的溫度、亮度、被測(cè)物體表面粗糙度和被測(cè)物體表面顏色的不同情況下， k 1 和 k 2 均會(huì)改變，所以再取平均值為：
此時(shí)，得到一個(gè) k 1 和 k 2 的數(shù)值。
同時(shí)考慮到本系統(tǒng)所選用的超聲波測(cè)距傳感器的有效距離略大于紅外線測(cè)距傳感器的有效距離。因此，當(dāng)接收到超聲波傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)再進(jìn)行一次判斷，得到的結(jié)果小于 20cm 或大于 150cm 時(shí)，直接以超聲波傳感器的數(shù)據(jù)為最終數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)范圍在 20 ～ 150cm 時(shí)，結(jié)合兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，利用式
（3）計(jì)算得出最終數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于測(cè)量 20 ～ 150cm 內(nèi)的數(shù)據(jù)。測(cè)距系統(tǒng)流程。
注：k1=0.568；k2=0.422 平均相對(duì)誤差 =0.1154%
表 1 在可測(cè)量范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
為驗(yàn)證該測(cè)距系統(tǒng)的效果，本文進(jìn)行一系列測(cè)試，選取了 10 組測(cè)試數(shù)據(jù)，L1 為超聲波測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，L2 為紅外線測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，L3 為經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理的最終數(shù)據(jù)，也就是測(cè)量得到的最終數(shù)據(jù)。在可測(cè)量范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，如表 1 所示。
通過(guò)表 1 可以發(fā)現(xiàn)，利用超聲波傳感器和紅外線傳感器的融合測(cè)距，在測(cè)量范圍內(nèi)的平均相對(duì)誤差小于 0.3%，滿足檢測(cè)系統(tǒng)的精度要求，說(shuō)明該測(cè)距系統(tǒng)方案可行。
因超聲波測(cè)距與紅外線測(cè)距均會(huì)受到外界因素的影響，若要進(jìn)一步提高測(cè)量精度，可設(shè)置不同環(huán)境下的 k1、k2 值。通過(guò)藍(lán)牙控制，使系統(tǒng)在不同情況使用不同的 k1、k2 值。
5 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外線和超聲波傳感器的新型測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、成本低及精度高的優(yōu)點(diǎn)，融合了紅外線和超聲波傳感器的特點(diǎn)，改進(jìn)了測(cè)距算法，從而提高了測(cè)量精度，并擁有較大的測(cè)量范圍。將該系統(tǒng)應(yīng)用在智能無(wú)人車(chē)中，能提升無(wú)人車(chē)的避障性能，同時(shí)也為基于多傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新思路。
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班寧產(chǎn)品匯總
