機(jī)器人超聲測距數(shù)據(jù)的采集與處理

摘要：介紹一種基于單片機(jī)控制的三種超聲測距系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和誤差分析。利用本系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法可以作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人輔助視覺系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 超聲波測距 單片機(jī) 串行通訊 數(shù)據(jù)采集

機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景。其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確與否。超聲波傳感器以其價(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，實(shí)現(xiàn)定位及環(huán)境建模。越聲波測距作為輔助視覺系統(tǒng)與其他視覺系統(tǒng)（如CCD圖象傳感器）配合使用，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)視覺功能[7]。

超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時(shí)間法：即D=CT/2，其中D為機(jī)器人與視測物之間的距離，C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度（C=331.4乘以根呈號(hào)(1+t/273)m/s，t為攝氏溫度），T為超聲發(fā)射到返回的時(shí)間間隔。本超聲測距系統(tǒng)共有3對(duì)超聲換能器，分別放在智能移動(dòng)車的上、中、下三個(gè)位置上。本系統(tǒng)采用一片89C51單片機(jī)對(duì)三路超聲信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集，并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)[1,2]。上位機(jī)采用PC-586。當(dāng)上位機(jī)需要數(shù)據(jù)時(shí)，向下位機(jī)發(fā)出申請(qǐng)，下位機(jī)通過中斷的方式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)與下位機(jī)通過RS-232串行口相連。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了能在測量距離的同時(shí)判斷出物體的大致形狀，應(yīng)設(shè)計(jì)成多傳感器測距系統(tǒng)。經(jīng)分析可知，頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳；同時(shí)，為了方便處理，發(fā)射的超聲濾被調(diào)制成40kHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。該測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖可見，測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測、微機(jī)控制和溫度測量五個(gè)部分組成。

1.1 超聲波發(fā)送

這部分包括超聲波信號(hào)的產(chǎn)生、多路選擇及換能器等環(huán)節(jié)。

超聲波發(fā)送脈沖如圖2所示。40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由單片機(jī)89C51的P1.0口送出，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為125μs～200μs，即在一個(gè)調(diào)制脈沖內(nèi)包5～8個(gè)40kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。本系統(tǒng)有三路測距通道，采用分時(shí)工作，按上、中、下的順序循環(huán)測距。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認(rèn)為前一路無被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時(shí)間。例如：最大測距范圍為5m時(shí)，脈沖間隔時(shí)間t=2s/v=2×5/340≈30ms，實(shí)際應(yīng)取t≥30ms。

發(fā)送的超聲波脈沖經(jīng)多路選擇開關(guān)CD4052按序分別送到上、中、下三路發(fā)送轉(zhuǎn)換能器上。采用緩沖器CD4050是考慮用其兩個(gè)門來驅(qū)動(dòng)一路發(fā)送換能器，以加大發(fā)射驅(qū)動(dòng)能力。

1.2 超聲波接收

這部分由接收換能器、多路選擇開關(guān)、比較及控制等環(huán)節(jié)組成。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小，為此要求將信號(hào)放大60萬倍左右。采有三級(jí)放大：前兩級(jí)種放大100倍，采用高速精密放大器LM318，其帶寬為15MHz，放大倍數(shù)為100倍時(shí)，能充分滿足要求；第三級(jí)采用LF353運(yùn)算放大器，帶寬為4MHz，對(duì)于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件[3,6]。放大后的交流信號(hào)經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號(hào)整形輸出一個(gè)方波信號(hào)，此方波信號(hào)上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)。在中斷服務(wù)程序中，讀取時(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并結(jié)合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離。圖3給出了一路超聲波接收電路原理圖（略去多路選擇開關(guān)）。

1.3 時(shí)間計(jì)測

超過波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間的測定是由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器T1來完成的。在調(diào)試過程中出現(xiàn)的發(fā)送部分與接收部分的直接串?dāng)_問題是由于換能器之間的距離不大，有部分聲波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收換能器上。從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結(jié)束[5]這段時(shí)間，通過控制觸發(fā)器(74LS74)不能觸發(fā)，從而不會(huì)發(fā)中斷申請(qǐng)，可有效躲避干擾，但也會(huì)形成所謂的“盲區(qū)”。本系統(tǒng)的盲區(qū)約為20cm左右。

1.4 微機(jī)控制部分

由單片機(jī)控制的多路選擇開在來決定上、中、下三個(gè)通道分時(shí)工作的順序。CD4052的X側(cè)選擇發(fā)送通道，Y側(cè)選擇接收通道，由89C51的P1.1和P1.2按順序發(fā)出通道選擇信號(hào)，接到CD4052的A、B端，使發(fā)送通道與接收通道一一對(duì)應(yīng)地接能。

由于受環(huán)境溫度以及超聲固有寬波束角等因素的影響，超聲傳感器所測量的值與實(shí)際值總有一些誤差。本超聲測距系統(tǒng)采用曲線擬合的最小二乘法對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，使其精度達(dá)到±4cm。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 超聲數(shù)據(jù)的采集與處理軟件

本系統(tǒng)軟件分兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成系統(tǒng)初始化、選擇能路號(hào)、控制發(fā)射和接收超聲波等。主程序流程圖如圖4所示。

中斷服務(wù)程序包括內(nèi)部T0中斷和外部INT0、INT1中斷服務(wù)程序。T0設(shè)置為30ms中斷一次，其任務(wù)就是每隔30ms產(chǎn)生5～8個(gè)40kHz的方波作為超聲脈沖并按序送到三個(gè)通道，即產(chǎn)生如圖2所示的超聲波發(fā)射脈沖，圖2也給出了一個(gè)通道的工作時(shí)序圖。T0中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。INT0中斷子程序讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為環(huán)境溫度值；INT1停止T0、T1計(jì)數(shù)，根據(jù)T1內(nèi)容計(jì)算時(shí)間T，并進(jìn)行最終距離的計(jì)算。先計(jì)算超聲波傳播速度：C=331.4×（根號(hào)1+t/273），再計(jì)算距離：D=CT/2，并將計(jì)算結(jié)果送入緩沖區(qū)以備通訊。T1工作在方式2，并設(shè)計(jì)成門控方式。

2.2 串行通訊程序

為了不影響下拉機(jī)完成其他工作，本系統(tǒng)采用下位機(jī)以中斷的方式向上位機(jī)發(fā)送測距數(shù)據(jù)，在測距主程序中開串行口中斷。進(jìn)入中斷程序后，仍采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

上位機(jī)（PC-586）以子程序的形式給出接收程序。若系統(tǒng)需要新的測距值時(shí)，就調(diào)用一次接收子程序。接收子程序框圖如圖6所示。接收子程序收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)傳輸是否有錯(cuò)，若有錯(cuò)就向下位機(jī)發(fā)“01”命令，下位機(jī)收到此命令后，則重表發(fā)送；若傳輸過程無錯(cuò)，向下位機(jī)發(fā)送“00”命令，下位機(jī)則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。

3 誤差分析

本系統(tǒng)最大測距誤差在8cm左右，測距的盲區(qū)為20cm。測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：

（1）超聲波波束對(duì)探測目標(biāo)的入射角的影響；

（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；

（3）超聲波傳播速度對(duì)測距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響。因此需對(duì)聲速加以修正。對(duì)于測距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化。本文采用聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正，可有效地消除溫度變化對(duì)精度的影響。

影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等。

本系統(tǒng)硬件簡單、容易實(shí)現(xiàn)、測距范圍比較大、測量誤差可以控制在±4cm左右。超聲測距系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集相互獨(dú)立，可以同時(shí)進(jìn)行，保證了測距數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。