基于單片機的水下機器人定位系統(tǒng)

　　本課題研究的機器人工作在大約40 m深的漿液下，為了防止水煤漿由于長時間的存貯而沉淀，他能在按照預先規(guī)劃的軌跡行走時完成攪拌功能。在這種條件下，一個很重要的問題就是機器人定位功能的實現(xiàn)，用來實時了解其具體位置。本機器人定位系統(tǒng)采用多路超聲波傳感器測距，然后采用三點定位法，把測距信息轉化為機器人的位置信息。超聲波作為一種無接觸檢測方式，與激光、紅外以及無線電測距相比，在水煤漿中可以比較容易地穿透水煤漿達到測距的目的，且精度較高。

　　l 超聲波測距系統(tǒng)

　　1.1 超聲波測距原理

　　超聲波測距原理一般采用時間度量法，計算公式為：

　　式中D(m)為超聲波傳播的距離，v(m／s)為超聲波在介質中傳播的速度，t(s)為超聲波在介質中傳播的時間。而超聲波在介質中傳播的速度由介質的性質和溫度T(℃)決定，由此可得到水中超聲波的波速為：

　　1.2 超聲波測距的硬件系統(tǒng)

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其設計為分布式控制系統(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也可做發(fā)射用，其靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時輸出功率大。溫度傳感器選用DS18B20，該傳感器具有單總線、抗干擾、測溫范圍寬(-55～+125℃)、適合遠距離惡劣環(huán)境測溫的特點。在本系統(tǒng)中使用的單片機(MCU0，MCU1，…MCU4)均選用51系列單片機AT89C52。

　　當系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由MCU0每隔3 s產生一個脈沖，信號經過放大激發(fā)信號發(fā)生器ST-3A，然后觸發(fā)超聲波發(fā)生器USR1；同時給MCU2，MCU3，MCU4的中斷INT0一個低電平，使他們開始計時。當接收超聲波傳感器接收到發(fā)射超聲波傳感器發(fā)出的信號后，立即把產生的接收信號傳給單片機，中間的信號調理過程為一級放大(放大100倍)、帶通濾波、二級放大(放大50倍)、電壓比較、光電隔離，其中電壓比較的基準電壓可調，當信號電壓高于基準電壓時使MCU的INT1中斷。INT0中斷和INT1中斷的時間間隔即為發(fā)射與接收傳感器間的時間，他存儲在單片機固定的RAM中。而溫度傳感器DS18B20是分時完成對環(huán)境溫度的測量的，采用嚴格的時序單片機進行雙向通訊。單片機把溫度信息存在他的固定RAM中。

　　1.3 超聲波測距的軟件系統(tǒng)

　　要完成對機器人的位置信息的測量就要求把存儲在單片機RAM內的時間信息和溫度信息采集到上位機中，然后把這些信息融合起來得到機器人的確切坐標。工控機與下位機采用串口通訊方式，通訊協(xié)議為MODBUS協(xié)議。同時上位機采用VC 6.0作為開發(fā)工具，工控機的軟件程序采用模塊化編程，程序主要由串口通訊模塊、三點定位模塊、數(shù)據庫模塊及界面模塊組成，其循環(huán)通訊的流程如圖2所示。

　　2 實 驗

　　2.1 實驗準備

　　為了驗證程序的可靠性和對比兩種超聲波發(fā)射傳感器在定位過程中的效果，做了水下定位實驗，該實驗是在9 m×7 m的長方形水池中進行的，水深25 cm左右。在實驗之前在水平面內建立直角坐標系，同時在r=3 300 mm的圓周上均勻放置三個超聲波接收傳感器，其坐標(單位：mm)分別為(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在實驗過程中超聲波發(fā)射傳感器在此圓周內移動。

　　根據以前一系列的實驗結果，在本次實驗的軟件系統(tǒng)中對測距程序按下式進行了修正：(單位：mm)

　　2.2 實驗結果

　　(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)射面為一個平面，波束角為60°，其指向性很強，在此定位系統(tǒng)中，3個接收傳感器都能夠收到該發(fā)射傳感器的信號，但在其波束角內的接收傳感器接收的信號比其他兩個強，這就影響了接收傳感器觸發(fā)時的靈敏性。

　　如圖3所示，中間的實線圓為經過非線性優(yōu)化過的發(fā)射傳感器的移動軌跡，半徑為3 204 mm，這些定位點分散在軌跡圓的周圍，外側的虛線圓為偏離原點最遠點所在的圓，內側的虛線圓為距離原點最近的點所在的圓，最大誤差為8.08％，這些誤差主要來自于發(fā)射中心產生的誤差和測距產生的誤差。

　　(2)LYF-20型圓周發(fā)射傳感器

　　復制的最佳發(fā)射頻率為22 kHz，發(fā)射面為圓柱面，他的優(yōu)點就是對于三個接收傳感器而言發(fā)射中心是固定的，并且他們接收的信號強弱一致，但他的指向性不強，由于信號分散，故其發(fā)射的信號弱于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)射中心產生的誤差，所以他的定位精度較高，主要誤差來自于測距誤差，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，頻率對超聲波的測距是有很大影響的，頻率越大，精度越高。

　　3 結 語

　　從實驗結果看出，定位系統(tǒng)是可行的，有較高的可靠性，并且本系統(tǒng)的實時性可達1 s，其精度也可以達到我們預期的效果，但是硬件系統(tǒng)還有提升的空間。研究內容對水下機器人的定位，信號的采集，數(shù)據的遠距離傳輸?shù)榷加袇⒖純r值。