移動機(jī)器人的多傳感器測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、引言

在自主移動機(jī)器人的實(shí)時(shí)避障和路徑規(guī)劃過程中，機(jī)器人須依賴于外部環(huán)境信息的獲取，感知障礙物的存在，測量障礙物的距離。目前，機(jī)器人避障和測距傳感器有紅外、超聲波、激光及視覺傳感器。激光傳感器和視覺傳感器價(jià)格貴，對控制器的要求較高，因而，在移動機(jī)器人系統(tǒng)中多采用紅外及超聲波傳感器。

多數(shù)系統(tǒng)采用單一傳感器進(jìn)行信息采集，但超聲波傳感器因?yàn)榇嬖跍y量盲區(qū)的問題，測距范圍一般在30～300cm之間；而紅外測距傳感器的探測距離較短，一般在幾十厘米之內(nèi)，它可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲波傳感器近距離無法測量的缺點(diǎn)。因而，本系統(tǒng)采用多路紅外和超聲波傳感器進(jìn)行距離信息的測量和采集。

二、測距原理及方法

（一）超聲波傳感器

超聲波是指諧振頻率高于20 Hz的聲波，頻率越高反射能力越強(qiáng)。超聲波傳感器價(jià)格低廉，其性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾的影響，并且，金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100％的超聲波，因而，可以用來探測物體。

超聲波測距的方法為回聲探測法，發(fā)射換能器不斷發(fā)射聲脈沖，聲波遇到障礙物后反射回來被接收換能器接收，根據(jù)聲速及時(shí)間差計(jì)算出障礙物的距離。距離與聲速、時(shí)間的關(guān)系表示為

式中：s為與障礙物間的距離，m; c為聲速，m/s；t為第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差，s。

c與溫度有關(guān)，空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為

式中c為聲速，m/s; θ為環(huán)境溫度，℃。

（二）提高超聲波測距精度的方法

1．采用合適的頻率和波長：使用超聲波傳感器測距，頻率取得太低;外界雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播過程中衰減較大。并且，超聲波傳感器在測量過程中容易產(chǎn)生盲區(qū)，接收端易接收到泄漏波。改善這一缺點(diǎn)，須減少發(fā)射波串的長度，增高發(fā)射波頻率。但發(fā)射波串長度過短會使得發(fā)射換能器不能被激振或激振達(dá)不到最大值；發(fā)射波頻率過高則衰減大，作用距離下降、有試驗(yàn)表明：使用40 kHz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有10-20個(gè)脈沖，具有較好的傳播性能。

2．提高系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度也可提高超聲波的測距精度，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則由于時(shí)間的量化誤差所引起的測距誤差就越小。

3．對系統(tǒng)電路的時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償可以減小測距誤差，提高測距精度。延遲時(shí)間

式中△t為延遲時(shí)間，s;s1,s2為2個(gè)已知的測量距離，m；t1，t2為對應(yīng)的測量時(shí)間，s。

（三）紅外避障傳感器

紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。

紅外傳感器的的測距基本原理為發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，據(jù)此判斷前方是否有障礙物。根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，它的原理 是接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體的距離而變化的，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。

目前，使用較多的一種傳感器-紅外光電開關(guān)，它的發(fā)射頻率一般為38 kHz左右，探測距離一般比較短，通常被用作近距離障礙目標(biāo)的識別。本系統(tǒng)采用的即為此種傳感器。

（四）紅外測距的缺陷

受器件特性的影響，一般的紅外光電開關(guān)抗干擾性差，受環(huán)境光影響較大；并且，探測物體的顏色、表面光滑程度不同，反射回的紅外線強(qiáng)弱就會有所不同。

三、硬件系統(tǒng)構(gòu)成

（一）系統(tǒng)組成

該測距系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射接收電路、紅外發(fā)射接收電路、數(shù)碼顯示電路及串口通信電路等模塊組成，見圖1?？刂坪诵臑榱桕?/SPAN>16位單片機(jī)SPCE061 A，芯片上集成有2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)時(shí)器，14個(gè)中斷源，32位通用可編程輸人/輸出通道，7通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。

移動機(jī)器人的前方、左方、右方各安裝一套超聲波及紅外傳感器，使機(jī)器人能夠感知3個(gè)方位的障礙信息。單片機(jī)在接收到傳感器的信息后，將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為距離信息，在LED數(shù)碼管上顯示，并通過串口RS - 232接口與上位PC機(jī)通信，傳輸距離信息。

（二）超聲波傳感器電路

凌陽單片機(jī)的I/O9-I/O11口接三路超聲波發(fā)射電路，I/O3-I/O5接三路超聲波接收電路。單片機(jī)產(chǎn)生的40 kHz信號由I/O輸出，經(jīng)反相器4049B組成的升壓放大電路，最后，由超聲波發(fā)射換能器UCM40T發(fā)射；聲波遇到障礙物返回，被接收換能器UCM40R接收，信號經(jīng)OP07組成的兩級放大電路放大，通過鎖相環(huán)音頻譯碼器LM567選 頻，濾除干擾信號，最后，通過I/O口輸入單片機(jī)。單片機(jī)通過聲波的傳輸時(shí)間計(jì)算障礙物距離。

（三）紅外傳感器電路

凌陽單片機(jī)的I/O0～I/O6可作為10位A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)中，凌陽單片機(jī)的I/O0～I/O2口作為A/D轉(zhuǎn)換器使用，I/O6～I/O8接三路紅外發(fā)射電路，I/O0～I/O2接三路紅外接收電路。單片機(jī)I/O口輸出高電平時(shí)與紅外發(fā)光管TLN205導(dǎo)通，發(fā)射紅外光；光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收管TPS708接收，產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩級放大電路放大后，輸出一個(gè)0～3V的模擬電壓，經(jīng)A/D口輸人單片機(jī)。單片機(jī)通過 電壓的大小計(jì)算、判斷障礙物的距離。

四、軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)SPCE061 A選用系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fosc＝20.480MHz，CPU時(shí)鐘頻率（CPUCLK）為fosc/2＝10. 24 MHz，時(shí)鐘源A選用頻率32768 Hz，時(shí)鐘源B選用頻率1 Hz,,SPCE061A提供2個(gè)16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器：TimerA和TimerB。TimerA的時(shí)鐘源由時(shí)鐘源A和時(shí)鐘源B進(jìn)行與操作形成；TimerB的時(shí)鐘源僅為時(shí)鐘源A。

40 kHz的超聲波脈沖為高低電平各占12.5μs的方波，CPU時(shí)鐘計(jì)數(shù)延遲123個(gè)指令周期即為12.5μs。單片機(jī)通過不斷的交替產(chǎn)生12.5μs的高低電平即可產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號，每次發(fā)射20個(gè)脈沖的脈沖群，持續(xù)0.5 ms，脈沖發(fā)射、間隔時(shí)間至少20 ms，從I/O口輸出。系統(tǒng)選用定時(shí)器A作為產(chǎn)生20 ms的定時(shí)中斷，選用定時(shí)器B作為超聲波計(jì)數(shù)器。

由于超聲波傳感器存在測量盲區(qū)，因而，在程序設(shè)計(jì)中，將遠(yuǎn)于30 cm的測距由超聲波傳感器完成，30 cm以內(nèi)由紅外傳感器完成。

紅外測距過程中，選用定時(shí)器A產(chǎn)生0.1S的中斷進(jìn)行A/D采樣，并將采樣的電壓值轉(zhuǎn)換為距離信息。

主程序中，首先，進(jìn)入紅外探測子程序，如果探測到障礙物，則進(jìn)人數(shù)據(jù)傳輸、顯示及運(yùn)動控制子程序；沒有探測到障礙物，則進(jìn)入超聲波探測子程序。超聲波探測到障礙物，則進(jìn)人數(shù)據(jù)傳輸、顯示及運(yùn)動控制子程序，沒有探測到障礙物，則循環(huán)進(jìn)行紅外探測。圖2、圖3分別為紅外及超聲波探測子程序。

五、測量結(jié)果

試驗(yàn)過程中，采用同大小、質(zhì)地、顏色的障礙物進(jìn)行測量。試驗(yàn)表明：系統(tǒng)在0～200 cm的范圍間測距精度在1％之內(nèi)，能夠較為準(zhǔn)確對障礙物進(jìn)行測距。在30 cm以內(nèi)的測距由紅外傳感器完成，30～200 cm之間的測距由超聲波傳感器完成，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

六、結(jié)束語