基于紅外超聲光電編碼器的室內(nèi)移動(dòng)小車定位系統(tǒng)

引 言

目前，使用超聲波技術(shù)進(jìn)行空間測(cè)量和定位已相當(dāng)普遍。有的運(yùn)用超聲波的反射特性，有的綜合運(yùn)用紅外和超聲波傳感器采取三邊測(cè)距的定位方法，前者因?yàn)槌暡▊鬏斀橘|(zhì)的影響使測(cè)量精度無(wú)法提高，超聲波衰減特性使其傳播的距離有限，再利用反射特性更加縮短了傳播的距離。后者雖然精度有所提高，測(cè)量的距離增加了，但是出現(xiàn)了測(cè)量盲區(qū)的問(wèn)題，待測(cè)目標(biāo)在某些位置不能同時(shí)檢測(cè)到3個(gè)以上的超聲波信號(hào)時(shí)，使系統(tǒng)無(wú)法定位。本文在第2種方法的基礎(chǔ)上在系統(tǒng)中加入了光電編碼器測(cè)距定位原理，消除其定位盲區(qū)的問(wèn)題。

1 定位原理

1.1 紅外超聲三邊測(cè)距定位原理

首先在室內(nèi)建立一直角坐標(biāo)系，規(guī)定好原點(diǎn)、X軸、Y軸、和Z軸。在室內(nèi)上空固定位置設(shè)立3個(gè)參考點(diǎn)A、B、C，坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)。使用紅外超聲系統(tǒng)測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)到3個(gè)參考點(diǎn)的距離L、M、N為：

由式(1)～式(3)解出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值(x，y，z)。這就是紅外超聲的定位原理，簡(jiǎn)單且容易編程實(shí)現(xiàn)。下面說(shuō)明目標(biāo)點(diǎn)與參考點(diǎn)間距離的測(cè)量原理。光速與超聲波速度在量級(jí)上的極大差值是實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能的基礎(chǔ)。測(cè)距原理見(jiàn)圖1。

超聲波和紅外光的傳播速度為常量，其傳播距離與時(shí)間的曲線均為直線，直線斜率即波速，易知曲線①為紅外光曲線，曲線②為超聲波曲線。指定距離D，設(shè)紅外光與超聲波在0時(shí)刻同時(shí)從某一參考點(diǎn)出發(fā)，紅外光經(jīng)t1時(shí)間走完指定距離，超聲波經(jīng)t2時(shí)間走完指定距離，則D=vt2，式中v為超聲波速。令t=t2-t1，可得D=v(t+t1)。已知紅外光速為3×108m／s，超聲波在空氣中速度為3.4×102m／s，在室內(nèi)這樣的距離范圍，近似認(rèn)為t1=0，得到D=vt。

系統(tǒng)在每個(gè)參考點(diǎn)安裝單片機(jī)控制的紅外和超聲波發(fā)射管，在目標(biāo)點(diǎn)安裝紅外和超聲波接收管，同樣連接單片機(jī)。某一時(shí)刻參考點(diǎn)發(fā)射紅外和超聲信號(hào)，目標(biāo)點(diǎn)在接收到紅外信號(hào)時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器、在接收到超聲信號(hào)時(shí)停止計(jì)數(shù)器，這樣二者的時(shí)間差t被記錄下來(lái)，將t與超聲波速相乘就得到待測(cè)距離D。實(shí)際上，信號(hào)處理總是有延時(shí)的，由此帶來(lái)的測(cè)量誤差必須補(bǔ)償，最終得到算式為：d=vt+n。式中：d為距離測(cè)量值；v為超聲波速；t為單片機(jī)記錄的紅外光和超聲披到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間差值；n為系統(tǒng)器件延遲誤差補(bǔ)償項(xiàng)。

1.2 光電編碼器測(cè)距定位原理

光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，這是目前應(yīng)用最多的傳感器，由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。

光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)(稱為譯碼輪，見(jiàn)圖2)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。發(fā)光二極管和光敏傳感器組成光電耦合器。光敏傳感器內(nèi)部沿垂直方向排列有2個(gè)光敏晶體管A和B。由于譯碼輪有間隙，故當(dāng)譯碼輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時(shí)而照在光敏傳感器上，時(shí)而被阻斷，從而使光敏傳感器輸出脈沖信號(hào)。光敏晶體管A和B被安放的位置使得其光照和阻斷的時(shí)間有差異，從而產(chǎn)生的脈沖A和脈沖B有一定的相位差。利用這種方法，就能測(cè)出碼盤(pán)滾軸滾動(dòng)方向。滾軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，車輪位置計(jì)數(shù)器加1，每隔一定時(shí)間，單片機(jī)把車輪位置計(jì)數(shù)器的值讀出，通過(guò)計(jì)算得出車輪移動(dòng)的位移(當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎時(shí)為弧線長(zhǎng)度和弧線切線方向)，再把位移信息發(fā)送給上位機(jī)。

基于以上原理，在同軸二輪驅(qū)動(dòng)小車(同軸二輪驅(qū)動(dòng)小車的2個(gè)輪子的運(yùn)行軌跡總是平行的)的2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪子的正上方一定高度的a、b這2點(diǎn)安裝紅外超聲定位單元，絕對(duì)定位每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。在2個(gè)輪子各自軸上安裝光電編碼器測(cè)距單元，用來(lái)測(cè)量2個(gè)定位時(shí)刻點(diǎn)間輪子移動(dòng)的距離和前進(jìn)倒退情況。

對(duì)移動(dòng)小車的定位分為3種情況：

a) 在某一定位時(shí)刻a、b這2點(diǎn)能夠同時(shí)檢測(cè)到3個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)(地面是平的，進(jìn)行平面二維定位時(shí)只需2個(gè)信號(hào))，就用紅外超聲絕對(duì)定位方法計(jì)算移動(dòng)小車的位置，計(jì)算出它們中點(diǎn)的位置(即移動(dòng)小車的位置)，并根據(jù)前一時(shí)刻a、b這2點(diǎn)的坐標(biāo)、2個(gè)輪子間的固定距離判斷出輪子相對(duì)于所建坐標(biāo)系的運(yùn)行方向。

b) a、b中只有1點(diǎn)能夠同時(shí)檢測(cè)到3個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)，則根據(jù)前一時(shí)刻a、b這2點(diǎn)的坐標(biāo)、光電編碼器測(cè)得2個(gè)輪子的移動(dòng)距離長(zhǎng)短比較、2個(gè)輪子間的同定距離計(jì)算出移動(dòng)小車的位置和運(yùn)行方向。

c) a、b這2點(diǎn)都不能同時(shí)檢測(cè)到3個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)，則根據(jù)前一時(shí)刻a、b這2點(diǎn)的坐標(biāo)、2個(gè)輪子的固定距離、光電編碼器測(cè)得2個(gè)輪子的移動(dòng)距離計(jì)算出小車的坐標(biāo)和運(yùn)行方向。

下面給出第2種情況的求解方法，見(jiàn)圖3。通過(guò)比較光電編碼器所測(cè)2個(gè)輪子的移動(dòng)距離，可得出小車向移動(dòng)距離短的輪子一側(cè)轉(zhuǎn)彎，已知紅外超聲測(cè)得的a′、b′、b點(diǎn)的坐標(biāo)，2個(gè)輪子的間距d，線段aa′和bb′平行，ab和小車的運(yùn)動(dòng)方向垂直，根據(jù)幾何知識(shí)可以求出a點(diǎn)的坐標(biāo)和小車的移動(dòng)方向，其他情況亦然。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由超聲波信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(參考點(diǎn))、一個(gè)紅外發(fā)射管、一個(gè)超聲波發(fā)射頭及各自的驅(qū)動(dòng)電路和微控制器SST89E564RD(以下簡(jiǎn)稱564RD)8位單片機(jī)組成。普通節(jié)點(diǎn)(目標(biāo)點(diǎn))由8個(gè)紅外接收管、8個(gè)超聲波接收頭及各自的驅(qū)動(dòng)電路和8個(gè)564RD組成紅外超聲接收單元，每一個(gè)紅外接收和超聲波接收為一對(duì)，用一個(gè)564RD控制，分成2組，每組4對(duì)，在每個(gè)輪子的上方一定高度間隔90°與水平面成45°夾角向上分布。因?yàn)闇y(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)是移動(dòng)物體，所以采用多通道同時(shí)接收的方法縮短每次測(cè)量所用的時(shí)間，提高定位精度。光電編碼器測(cè)距單元由譯碼輪、光電偶合器和一片564RD組成。用1片564RD作為主控芯片，與8個(gè)超聲波接收單元、2個(gè)光電編碼器測(cè)距單元使用串口進(jìn)行通信，主控制器瀆取各個(gè)單元的測(cè)量數(shù)據(jù)，完成定位運(yùn)算，同時(shí)起到同步各個(gè)單元工作的作用。564RD的晶振都為40 MHz。圖4給出單個(gè)紅外管和超聲波發(fā)射電路，圖5給出單個(gè)紅外管超聲波接收電路。超盧波的發(fā)射管為T(mén)40-16(對(duì)應(yīng)接收管為R40-16)，中心頻率為40 kHz。紅外發(fā)射管為SE303A(對(duì)應(yīng)接收管為PH302)，564RD用2個(gè)I／O口分別輸出載頻為40 kHz、調(diào)頻為5 kHz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，以及載頻為40 kHz、調(diào)頻2 kHz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射管。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后各單元進(jìn)行初始化，各部分工作如下：

a) 超聲波信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不斷向外發(fā)射紅外和超聲波信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的紅外與超聲波信號(hào)編碼相對(duì)應(yīng)，并且與其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)編碼不同。

b) 普通節(jié)點(diǎn)每隔1 s(可以改變，但不能太長(zhǎng)，否則小車出現(xiàn)拐彎時(shí)運(yùn)行軌跡可能不平行)進(jìn)行一次定位，主控制器通過(guò)串口向各個(gè)單元發(fā)出定位信號(hào)并啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，延時(shí)100 ms后依次讀取8個(gè)超聲測(cè)距單元所測(cè)得的a、b這2點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離信息和2個(gè)光電編碼器測(cè)距單元記錄的位移信息，計(jì)算出移動(dòng)小車的位置和運(yùn)行方向。定時(shí)器定時(shí)到1 s后重復(fù)此過(guò)程。主控制器的軟件流程如圖6所示。

c) 2個(gè)光電編碼器測(cè)距單元初始化后立刻開(kāi)始記錄輪子的位移，串口收到定位信號(hào)后，將記錄的位移信息存到指定位置，等待主控制器讀取，并從0開(kāi)始繼續(xù)記錄位移情況。

d) 普通節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到定位信號(hào)后，接收紅外和超聲波信號(hào)，記錄一組相對(duì)應(yīng)的紅外超聲信號(hào)的超聲波傳輸時(shí)間，存到指定的位置，等待主控制器讀取。在串口接收到定位信號(hào)的開(kāi)始100 ms時(shí)間內(nèi)有這樣的信號(hào)，則把第1次接收到對(duì)應(yīng)的時(shí)間存人指定的位置就不再檢測(cè)接收了，如果100 ms時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到相應(yīng)的信號(hào)，就送數(shù)據(jù)0到指定的位置。

4 系統(tǒng)誤差分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)距結(jié)果

定位誤差主要有以下5方面：超聲波器件的形狀和安裝位置造成坐標(biāo)系參考點(diǎn)和待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的位置偏差；系統(tǒng)電路器件延遲產(chǎn)生的誤差；小車是不斷運(yùn)動(dòng)的，由于超聲波傳輸速度比較慢，請(qǐng)求定位時(shí)刻到定位完成，小車已經(jīng)移動(dòng)了一定的距離；在不能連續(xù)檢測(cè)到足夠參考點(diǎn)信號(hào)時(shí)，位置的確定依靠前一時(shí)刻的測(cè)量，會(huì)造成累計(jì)誤差；溫度條件對(duì)超聲波的影響。

圖7給出了在室溫20℃、超聲波速度為340m／s、小車2個(gè)輪子間距離為0.2 m、移動(dòng)速度為0.2 m／s、平面二維定位實(shí)驗(yàn)測(cè)量的一段軌跡，實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)前3個(gè)方面誤差補(bǔ)償計(jì)算，使定位精度達(dá)到3 cm。

5 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)楣怆娋幋a器測(cè)距定位依靠前一測(cè)量點(diǎn)的信息，必然導(dǎo)致定位誤差的累積；而紅外超聲三邊測(cè)距法是一種只依靠當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)信息的絕對(duì)位置定位方法。此系統(tǒng)綜合了這2種方法，消除了累積誤差，并解決了定位盲區(qū)的問(wèn)題，對(duì)移動(dòng)小車有一個(gè)較準(zhǔn)確的定位。