雙接收頭在智能小車(chē)系統中的應用

1 引言

超聲波傳感器因其測量精度高、 響應快和價(jià)格低廉而得到了廣泛應用，傳統應用方式是1 個(gè)發(fā)射頭對應1 個(gè)接收頭 ，也有多個(gè)發(fā)射頭對應1 個(gè)接收頭。但我們在實(shí)際應用中發(fā)現，如果障礙物的面很大(如墻壁)，超聲波傳感器可以用來(lái)準確測距，但若將其應用在小車(chē)防撞系統中，由于障礙物呈柱狀，而超聲波發(fā)射頭有一定的散射角(左右)，因此即使障礙物不在小車(chē)正前方，超聲波仍能檢測到斜前方回波，這就給智能控制車(chē)輛行進(jìn)帶來(lái)困難和誤導，為了解決這一問(wèn)題，我們提出了一種使用雙接收頭的方案，并從實(shí)用角度給出了一套具體控制策略。

2系統的結構流程設計

我們的整個(gè)系統需要完成測距，測速，定位，控制小車(chē)運動(dòng)等功能，系統包括如下六部分： 超聲波發(fā)射電路， 超聲波接受電路，信號處理器，溫度測量，小車(chē)控制電路等五部分。系統結構框圖如圖一所示：

圖1：系統結構框圖

通過(guò)單片機產(chǎn)生40k 的方波，經(jīng)過(guò)放大后驅動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射頭，從而發(fā)出超聲波，遇到前方物體反射后由接收端捕捉，經(jīng)過(guò)對兩個(gè)接收頭捕捉時(shí)間的計算以及加入溫度補償，判斷最終前方小車(chē)的方向與距離，再通過(guò)與前次數據差分計算出其相對前車(chē)的速度，最后通過(guò)速度、距離以及位置三個(gè)數據進(jìn)行智能控制，控制小車(chē)轉彎或減速慢行等。

具體的硬件組成為：MCU 采用AT89S52 單片機，P1.0 口輸出超聲波換能器所需的40K 方波信號，經(jīng)過(guò)反相器7404 后驅動(dòng)傳感器，為了能使超聲波發(fā)射得更遠，我們并接了三個(gè)發(fā)射頭，利用外中斷0 口監測超聲波接收電路輸出的返回信號，回波檢測采用紅外檢測集成芯片CX20106，顯示電路采用簡(jiǎn)單的4 位共陽(yáng)LED數碼管，斷碼用74LS244，位碼用8550 驅動(dòng)。測溫部分使用18B20 測出當前的環(huán)境溫度用以判斷出超聲波傳播的速度。

3 MCU 算法控制

3.1 距離計算與方位判斷

單片機可以計算出發(fā)射與接收到超聲波之間的時(shí)間，根據測溫系統的實(shí)際測溫， 查找出在該對應溫度下的聲速，計算出反射物距離兩接收端的距離。 理論上由以上兩個(gè)數據上就可以直接數學(xué)推導出該物體的空間位置(如圖2 和公式一、二所示)。

圖2 超聲波傳感器空間方位

其中d 為R1 與R2 的距離，z1、z2 分別為物體到各個(gè)接收端的距離 ，如果直接這樣計算就會(huì )過(guò)于復雜，普通單片機處理的話(huà)耗時(shí)較多， 于是我們提出了一種基于計算二者距離差來(lái)大致判斷物體位置的方法。一般來(lái)講小車(chē)只關(guān)心在車(chē)前方的物體，我們設定一個(gè)距離參數l代表前方障礙物與小車(chē)的水平距離，再設定一個(gè)距離參數h，代表前方障礙物與小車(chē)的垂直距離。我們可以由下面的關(guān)系推導出h， l， d與z2-z1的關(guān)系(公式3---公式6)。