基于單片機(jī)的水下機(jī)器人定位系統(tǒng)

摘 要：水下機(jī)器人的定位系統(tǒng)利用超聲波傳感器獲取距離信息，同時(shí)采用三點(diǎn)定位法計(jì)算出位置坐標(biāo)。利用單片機(jī)存儲(chǔ)時(shí)間信息和溫度信息，并將這些信息實(shí)時(shí)傳送到工控機(jī)程序完成定位。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了超聲波的定位數(shù)據(jù)，并采用非線性優(yōu)化的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到兩種不同發(fā)射傳感器的定位精度，對(duì)以后改進(jìn)系統(tǒng)和提高定位精度都有參考價(jià)值。



關(guān)鍵詞：超聲波；水下定位系統(tǒng)；單片機(jī)；測(cè)距

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-122-02

An Orientation System of Underwater Robot Based on Single Chip Computer



ZHOU Shibin，HAO Jingru，HUANG Min

(Beijing Institute of Machinery，Beijing，100085，China)



Abstract：The orientation system of underwater robot captures the distance information by the ultrasonic sensors，and uses three points location theory to compute the coordinate of the position.To save the time and temperature information by single chip computers，which transmit this information to the industrial PC to complete the orientation.Finally，we can obtain a lot of orientation data through experiment.Then we can obtain the orientation precision of two different type sensors which used for sending signals，though analyzing these data by the method of non-linear optimization.The conclusion is valuable reference for the improvement of the system and orientation precision.



Keywords：ultrasonic wave;underwater orientation system;single chip computer;distance measurement

本課題研究的機(jī)器人工作在大約40 m深的漿液下，為了防止水煤漿由于長(zhǎng)時(shí)間的存貯而沉淀，他能在按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡行走時(shí)完成攪拌功能。在這種條件下，一個(gè)很重要的問(wèn)題就是機(jī)器人定位功能的實(shí)現(xiàn)，用來(lái)實(shí)時(shí)了解其具體位置。本機(jī)器人定位系統(tǒng)采用多路超聲波傳感器測(cè)距，然后采用三點(diǎn)定位法^[1]，把測(cè)距信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的位置信息。超聲波作為一種無(wú)接觸檢測(cè)方式，與激光、紅外以及無(wú)線電測(cè)距相比，在水煤漿中可以比較容易地穿透水煤漿達(dá)到測(cè)距的目的，且精度較高。

1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)

1.1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理一般采用時(shí)間度量法，計(jì)算公式為：



D=vt

(1)



式中D(m)為超聲波傳播的距離，v(m/s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，t(s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間。而超聲波在介質(zhì)中傳播的速度由介質(zhì)的性質(zhì)和溫度T(℃)決定，由此可得到水中超聲波的波速^[2]為：



v=1 4492+4623T－0054T2

(2)



1.2 超聲波測(cè)距的硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其設(shè)計(jì)為分布式控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中USR1為超聲波發(fā)射傳感器，USR2，USR3，USR4為接收傳感器，他是型號(hào)為JSS-03的液下專用超聲波傳感器，該傳感器既可做接收用同時(shí)也可做發(fā)射用，其靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時(shí)輸出功率大。溫度傳感器選用DS18B20^[3]，該傳感器具有單總線、抗干擾、測(cè)溫范圍寬(-55 ~+125 ℃)、適合遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境測(cè)溫的特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中使用的單片機(jī)(MCU0，MCU1，…MCU4)均選用51系列單片機(jī)AT89C52。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由MCU0每隔3 s產(chǎn)生一個(gè)脈沖，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大激發(fā)信號(hào)發(fā)生器ST-3A，然后觸發(fā)超聲波發(fā)生器USR1；同時(shí)給MCU2，MCU3，MCU4的中斷INT0一個(gè)低電平，使他們開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)接收超聲波傳感器接收到發(fā)射超聲波傳感器發(fā)出的信號(hào)后，立即把產(chǎn)生的接收信號(hào)傳給單片機(jī)，中間的信號(hào)調(diào)理過(guò)程為一級(jí)放大(放大100倍)、帶通濾波、二級(jí)放大(放大50倍)、電壓比較、光電隔離，其中電壓比較的基準(zhǔn)電壓可調(diào)，當(dāng)信號(hào)電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)使MCU的INT1中斷。INT0中斷和INT1中斷的時(shí)間間隔即為發(fā)射與接收傳感器間的時(shí)間，他存儲(chǔ)在單片機(jī)固定的RAM中。而溫度傳感器DS18B20是分時(shí)完成對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量的，采用嚴(yán)格的時(shí)序單片機(jī)進(jìn)行雙向通訊。單片機(jī)把溫度信息存在他的固定RAM中。

1.3 超聲波測(cè)距的軟件系統(tǒng)

要完成對(duì)機(jī)器人的位置信息的測(cè)量就要求把存儲(chǔ)在單片機(jī)RAM內(nèi)的時(shí)間信息和溫度信息采集到上位機(jī)中，然后把這些信息融合起來(lái)得到機(jī)器人的確切坐標(biāo)。工控機(jī)與下位機(jī)采用串口通訊方式，通訊協(xié)議為MODBUS協(xié)議。同時(shí)上位機(jī)采用VC 60作為開(kāi)發(fā)工具，工控機(jī)的軟件程序采用模塊化編程，程序主要由串口通訊模塊、三點(diǎn)定位模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊及界面模塊組成，其循環(huán)通訊的流程如圖2所示。

圖2 循環(huán)通訊流程圖

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證程序的可靠性和對(duì)比兩種超聲波發(fā)射傳感器在定位過(guò)程中的效果，做了水下定位實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是在9 m×7 m的長(zhǎng)方形水池中進(jìn)行的，水深25 cm左右。在實(shí)驗(yàn)之前在水平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，同時(shí)在r=3 300 mm的圓周上均勻放置三個(gè)超聲波接收傳感器，其坐標(biāo)(單位：mm)分別為(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中超聲波發(fā)射傳感器在此圓周內(nèi)移動(dòng)。

根據(jù)以前一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本次實(shí)驗(yàn)的軟件系統(tǒng)中對(duì)測(cè)距程序按下式進(jìn)行了修正：(單位：mm)



y=(x－240)/1083 6

(3)



2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) JSS-03型超聲波發(fā)射傳感器

該傳感器的最佳發(fā)射頻率為10 kHz，發(fā)射面為一個(gè)平面，波束角為60°，其指向性很強(qiáng)，在此定位系統(tǒng)中，3個(gè)接收傳感器都能夠收到該發(fā)射傳感器的信號(hào)，但在其波束角內(nèi)的接收傳感器接收的信號(hào)比其他兩個(gè)強(qiáng)，這就影響了接收傳感器觸發(fā)時(shí)的靈敏性。

如圖3所示，中間的實(shí)線圓為經(jīng)過(guò)非線性優(yōu)化過(guò)的發(fā)射傳感器的移動(dòng)軌跡，半徑為3 204 mm，這些定位點(diǎn)分散在軌跡圓的周?chē)?，外?cè)的虛線圓為偏離原點(diǎn)最遠(yuǎn)點(diǎn)所在的圓，內(nèi)側(cè)的虛線圓為距離原點(diǎn)最近的點(diǎn)所在的圓，最大誤差為808%，這些誤差主要來(lái)自于發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差和測(cè)距產(chǎn)生的誤差。

圖3 JSS-03型傳感器定位結(jié)果圖

圖4 LYF-20型傳感器定位圖

(2) LYF-20型圓周發(fā)射傳感器

復(fù)制的最佳發(fā)射頻率為22 kHz，發(fā)射面為圓柱面，他的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)于三個(gè)接收傳感器而言發(fā)射中心是固定的，并且他們接收的信號(hào)強(qiáng)弱一致，但他的指向性不強(qiáng)，由于信號(hào)分散，故其發(fā)射的信號(hào)弱于JSS-03型傳感器。如圖4所示。由于從發(fā)射源頭就避免了發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差，所以他的定位精度較高，主要誤差來(lái)自于測(cè)距誤差，其優(yōu)化后的軌跡圓半徑為3 154 mm，最大誤差為378%。在此可以看出，頻率對(duì)超聲波的測(cè)距是有很大影響的，頻率越大，精度越高。

3 結(jié) 語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，定位系統(tǒng)是可行的，有較高的可靠性，并且本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可達(dá)1 s，其精度也可以達(dá)到我們預(yù)期的效果，但是硬件系統(tǒng)還有提升的空間。研究?jī)?nèi)容對(duì)水下機(jī)器人的定位，信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)榷加袇⒖純r(jià)值。[LL]

參 考 文 獻(xiàn)

［1］俞竹青.那須康雄.超聲波網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航中移動(dòng)機(jī)器人的位置計(jì)算［J］.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，2002(3):36-39.



［2］桑金.水深測(cè)量中的聲速改正問(wèn)題研究［J］.海洋測(cè)繪，2006，26(3):17-20.



［3］趙紅旗，王云景.DS18B20在16路測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用［ J ］.儀表技術(shù)，2006(1):69-71.



作者簡(jiǎn)介 周世賓 男，1981年出生，河南鄭州人，碩士研究生。主要從事機(jī)器人測(cè)控方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。