超聲紅外復(fù)合測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張邦成，張玉玲，王 昕，韓躍營，姜艷青

ZHANG Bang-cheng,ZHANG Yu-ling,WANG Xin,HAN Yue-ying,JIANG Yan-qing

（長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

0 引言

近年來，移動(dòng)機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)，在現(xiàn)今的各個(gè)領(lǐng)域都有著越來越廣泛的應(yīng)用[1]。精確的測距是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其各種功能，完成相應(yīng)任務(wù)的關(guān)鍵因素。測距系統(tǒng)不僅要性能穩(wěn)定、精度高、魯棒性高，而且要求其能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離。目前，測距系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的傳感器主要有視覺、紅外、激光、超聲波等[2]。其中，視覺傳感器測距易受外界因素影響，存在目標(biāo)缺失、模糊等問題，且激光和視覺傳感器價(jià)格昂貴，對控制器要求較高，不利于其廣泛使用。超聲波傳感器由于信息處理簡單、距離分辨力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)機(jī)器人。但普通超聲波傳感器存在無法測量20cm以內(nèi)的近距離測量盲區(qū)[3]，且易受傳播介質(zhì)和反射介質(zhì)的影響，波束發(fā)散嚴(yán)重，方向定位精度較差；紅外傳感器具有光束發(fā)散小，定向精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可提高系統(tǒng)的測距和定向精度。現(xiàn)有的測距機(jī)器人大多以單一的傳感器為主，難免存在著測距誤差，而且不能實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離，作業(yè)場所及范圍都具有一定的局限性。

為了解決移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)測距存在的缺陷，在對超聲波及紅外線原理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲波與紅外線的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款多功能、低成本、高穩(wěn)定性、重復(fù)性好，可人機(jī)分離作業(yè)的復(fù)合測距系統(tǒng)。它以超聲波傳感器為主，進(jìn)行測量，同時(shí)采用紅外傳感器來補(bǔ)償超聲測量的盲區(qū)。以Mega16L單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了發(fā)送電路、接收電路、無線傳輸模塊以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。采用無線通訊技術(shù)將系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)無線動(dòng)態(tài)測距。

1 測距原理

1.1 超聲波傳感器測距原理

超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)測距的功能，其原理如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理框圖

超聲波測距原理是通過檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物反射的回波[4,5]，記錄從發(fā)射到接收回波這一過程所用的時(shí)間t，然后計(jì)算出障礙物的距離S，距離計(jì)算公式為：

其中，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率，S為障礙物與檢測裝置間的距離。在空氣中超聲波的傳輸速度易受空氣中的溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大[6]。因此，計(jì)算距離時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在已知溫度T的情況下，超聲波速度計(jì)算公式：

1.2 紅外傳感器測距原理

紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。紅外傳感器測距的基本原理為發(fā)光管發(fā)出紅外光，通過判斷反射光的有無確定前方是否存在障礙物，進(jìn)而確定障礙物的距離[7]。

紅外光電開關(guān)是目前使用較多的一種傳感器，其發(fā)射頻率一般在38kHz左右，探測距離較短。本測距系統(tǒng)采用的即為此種傳感器。由于紅外有發(fā)散性，常用紅外測量障礙物，當(dāng)發(fā)出信號后，碰到反射物被返射回，被測距儀接收到，由高低開關(guān)量在PC機(jī)上顯示有或無，不需要復(fù)雜的處理。

2 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

超聲紅外復(fù)合測距的硬件系統(tǒng)主要由Mega16L單片機(jī)、超聲波傳感器、紅外傳感器、發(fā)送電路、接收電路、電源供電電路、無線收發(fā)電路等模塊組成，布置在正前方的三個(gè)超聲波和三個(gè)紅外線傳感器組成測距系統(tǒng)的測量部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件示意圖

系統(tǒng)以Mega16L單片機(jī)為控制核心，通過它來接收超聲及紅外傳輸來的數(shù)據(jù)，再利用無線傳輸把測量數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)，通過數(shù)據(jù)融合方法得到更加精確的數(shù)據(jù)。下位機(jī)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力和工作可靠性。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選擇

超聲波傳感器都存在一定的測量盲區(qū)，同時(shí)超聲測距還存在反射、噪聲、交叉等問題。根據(jù)系統(tǒng)測距精度要求及傳感器性能比較，采用美國SensComp公司的Smart Senor 600緊湊型超聲波傳感器。

基于紅外傳感器測距時(shí)存在的盲區(qū)問題，本設(shè)計(jì)中僅把紅外測距作為超聲測距的補(bǔ)充，用來補(bǔ)償超聲測距的盲區(qū)。所以選用的紅外傳感器的測距范圍確定為超聲波的測距盲區(qū)，約為0到0.5米。

3.2 發(fā)送電路設(shè)計(jì)

圖3 發(fā)送信號電路

發(fā)送信號必須經(jīng)過功率放大器才能驅(qū)動(dòng)發(fā)送器，發(fā)送電路如圖3所示，從ATmega16L單片機(jī)輸出的信號經(jīng)過緩沖器F和功率放大器（VT1、VT2）驅(qū)動(dòng)發(fā)送器。VT1采用小功率晶體管，VT2可選功率場效應(yīng)管。

3.3 接收電路設(shè)計(jì)

接收信號電路主要包括以下6部分：輸入保護(hù)電路、阻抗匹配及電流放大器、兩極電壓放大器、帶通濾波器、輸出級放大器和電壓比較器。

信號在傳播過程中，其能量會(huì)隨傳輸距離的增大而減小[8]，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號一般比較弱，經(jīng)超聲換能器變換為電信號后一般為 mv級，必須經(jīng)過放大才能使用，接收換能器輸出阻抗非常大，第一級放大電路必須有足夠大的輸入阻抗，所以采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器TL061型單運(yùn)放。

電壓比較器選用LM339（現(xiàn)僅用其中一路）。帶通濾波器中的中心頻率應(yīng)與接收器的中心頻率相同。調(diào)節(jié)電位器可改變接收靈敏度，提高抗干擾能力。常態(tài)下LM339輸出高電平，當(dāng)接收到超聲波脈沖的第一個(gè)上升沿時(shí)就輸出低電平，送至ATmega16L單片機(jī)的接收引腳，使內(nèi)部定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。紅外傳感器彌補(bǔ)超聲波傳感器較近測量的盲區(qū)，只發(fā)送接收信號即可，在上位機(jī)上顯示有無。

3.4 無線傳輸模塊

隨著未來網(wǎng)絡(luò)通信市場的成熟，無線技術(shù)將獲得充分的發(fā)展空間，而在技術(shù)逐漸成熟和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步細(xì)分的基礎(chǔ)上，各種無線技術(shù)將在自身優(yōu)勢基礎(chǔ)上得到更好的發(fā)展。本系統(tǒng)選用低功耗、高可靠性，體積小，重量輕的FC-201/SP微功率無線數(shù)傳模塊，故可采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，可靠性高，可以方便地嵌入用戶的電路板上；連接PC機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。

FC-201/SP提 供了 TTL、RS232、RS485三種接口方式，本論文選擇RS232接口方式。

3.5 測距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ATmega16L單片機(jī)的高速、高集成、高性能等優(yōu)點(diǎn)，適合于要求速度快、精度高、擴(kuò)展功能強(qiáng)、動(dòng)態(tài)連續(xù)的超聲波及紅外測距系統(tǒng)。ATmega16L單片機(jī)是采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)[9]，超聲、紅外測距系統(tǒng)的很多功能均可由該芯片實(shí)現(xiàn)，針對測距系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，在超聲波紅外測距系統(tǒng)中使用ATmega16L單片機(jī)，可使系統(tǒng)所需擴(kuò)展電路及芯片大大減少，從而使系統(tǒng)再擴(kuò)展成為可能，而且具有線路簡單、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而有利于提高系統(tǒng)得穩(wěn)定性和可靠性。故可采用ATmel公司的Mega16L單片機(jī)做下位機(jī)進(jìn)行超聲波和紅外兩種距離探測傳感器的數(shù)據(jù)處，具體如圖4所示。

圖4 基于ATmega16L單片機(jī)的檢測電路圖

超聲波傳感器與PA口相連，PB口與紅外傳感器相連。MAX232的R1IN和T1 OUT分別與PD0（RXD）以及PD1（TXD）相連。每次測距時(shí)，Mega16L單片機(jī)通過PA口與PB口接收超聲及紅外傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，再由PD口傳輸?shù)組AX232，并經(jīng)其轉(zhuǎn)化后，將數(shù)據(jù)傳送給無線模塊，利用無線通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的無線通訊，并在上位機(jī)上進(jìn)行處理示，完成整個(gè)測距過程。當(dāng)被測物體與傳感器距離低于0.2m時(shí)，由于聲波在空氣中傳輸時(shí)間太短，接收芯片無法正常響應(yīng)，則采取紅外線測量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在使用超聲紅外復(fù)合測距系統(tǒng)對前方障礙物進(jìn)行檢測時(shí)，20cm內(nèi)的障礙物目標(biāo)通過紅外傳感器探測完成，20～300cm之間的障礙物目標(biāo)由超聲波傳感器探測完成。

為提高測量精度，數(shù)據(jù)采集的周期盡量選擇的長一些，這樣可以避免數(shù)據(jù)值得抖動(dòng)，便于上位機(jī)進(jìn)行讀取。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，測量0～300cm范圍內(nèi)的距離時(shí)，其誤差都在0～±2 cm之內(nèi)，所測障礙物的測量距離與實(shí)際距離之間的誤差有些偏大，為了進(jìn)一步提高其測量精度，基于Bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合方法，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，處理后得到的測量數(shù)據(jù)與實(shí)際值的誤差為0～±1mm之間。

5 結(jié)論

本文以超聲波傳感器為主，紅外傳感器作為超聲測量盲區(qū)補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了超聲紅外復(fù)合測距系統(tǒng)。克服了單一傳感器測距系統(tǒng)的不足，使系統(tǒng)的測距精度和定向精度都有了一定的提高，進(jìn)一步提高了測量精度，采用基于Bayes估計(jì)的數(shù)據(jù)融合方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)之間的無線通訊以及人機(jī)分離操作，擴(kuò)大了復(fù)合測距系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并具有良好的人機(jī)界面，利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。測量誤差由原來的±2cm降到±1mm。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果明，所設(shè)計(jì)的復(fù)合測距系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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