安全避障是移動(dòng)機(jī)器人研究的一個(gè)基本問題。障礙物與機(jī)器人之間距離的獲得是研究安全避障的前提，超聲波傳感器以其信息處理簡單、價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測距傳感器。本超聲波測距系統(tǒng)選用了SensComp公司生產(chǎn)的Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和600系列傳感器，微處理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文對(duì)此超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。
1、 超聲波傳感器及其測距原理
超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)[1]的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）[2]。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即
1、硬件電路設(shè)計(jì)
我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)由Polaroid 600系列傳感器、Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和AT89C51單片機(jī)構(gòu)成。
2.1 Polaroid 600系列傳感器
此超聲波傳感器是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個(gè)圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個(gè)鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個(gè)電容器，當(dāng)給薄片加上頻率為49.4kHz、電壓為300VAC pk-pk的方波電壓時(shí)，薄片以同樣的頻率震動(dòng)，從而產(chǎn)生頻率為49.4kHz的超聲波。當(dāng)接收回波時(shí)，Polaroid 6500內(nèi)有一個(gè)調(diào)諧電路，使得只有頻率接近49.4kHz的信號(hào)才能被接收，而其它頻率的信號(hào)則被過濾。
Polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角[3]，如圖1所示：
圖1 波束角
超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為D，則在D時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。
2.2 Polaroid 6500系列超聲波距離模塊
Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬件電路如圖2所示：
圖2 Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬件電路
TL851是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字12步測距控制集成電路。內(nèi)部有一個(gè)420KHz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時(shí)，在發(fā)送的前16個(gè)周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4KHz的超聲波信號(hào)，然后通過三極管Q1和變壓器T1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機(jī)定時(shí)用。TL852是專門為接收超聲波而設(shè)計(jì)的芯片。因?yàn)榉祷氐某暡ㄐ盘?hào)比較微弱，需要進(jìn)行放大才能被單片機(jī)接收，TL852主要提供了放大電路，當(dāng)TL852接收到4個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就通過REC給TL851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。
2.3 AT89C51單片機(jī)
本系統(tǒng)采用AT89C51來實(shí)現(xiàn)對(duì)Polaroid 600系列傳感器和Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機(jī)通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：
圖3 超聲波測距的硬件示意圖
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：
圖4超聲波測距程序流程圖
工作時(shí)，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號(hào)識(shí)別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號(hào)，要檢測返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。
4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實(shí)際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值：
表1超聲測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值 單位：cm
從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值總是比實(shí)際值大出大約7cm，經(jīng)過分析原因主要有三個(gè)方面：第一方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號(hào)的干擾，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送16個(gè)脈沖串。對(duì)于單個(gè)回聲的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以最終測得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測量值與實(shí)際值的偏差，我們采用最小二乘法[4~5]對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過擬合，我們得到下面的方程：
y=1.0145x-9.3354? （其中：y為實(shí)際值，x為測量值）
修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示：
表2 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值 單位：cm
從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出，系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內(nèi)，滿足我們的測量要求。
5、結(jié)論
利用超聲波傳感器進(jìn)行測距，其中主要的就是要保證在電路設(shè)計(jì)上一定要滿足電路工作的可靠性、穩(wěn)定性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與分析，我們認(rèn)為用6500系列距離模塊和600系列超聲波傳感器進(jìn)行距離的測量簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，測得數(shù)據(jù)的誤差比較小。