基于單接收頭的超聲波多目標測距機實(shí)現方案
1 超聲波
1. 1 超聲波測距原理
超聲波測距原理比較簡(jiǎn)單,一般是采用時(shí)差法。即:通過(guò)檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差Δt ,求出障礙物的距離d ,計算公式為: d = cΔt/ 2 ,其中:
c 為超聲波波速, T1 為環(huán)境攝氏溫度。
1. 2 發(fā)射信號超聲波包絡(luò )
在發(fā)射頭兩端加40 kHZ 的矩形脈沖電壓, 壓電晶體把電能轉變成機械能,帶動(dòng)其上振動(dòng)板運動(dòng),見(jiàn)圖1. 振動(dòng)板的固有頻率是40 kHZ,由于共振,振動(dòng)板很快起振,然后穩定, 脈沖電壓撤銷(xiāo), 振動(dòng)板作阻尼振蕩衰減。 若振動(dòng)板長(cháng)時(shí)間工作在最大振幅狀態(tài),即振動(dòng)板新增能量與其損耗能量相等,這樣產(chǎn)生的超聲波能量大,有利于提高信噪比,但是接收信號超聲波包絡(luò )從起振到峰值的時(shí)間將變長(cháng)(放大器增益小,不出現削頂的情況下) ,不利于閾值選擇,誤差變大,也不利于第二個(gè)位置的測量,另外盲區也會(huì )增大。 振動(dòng)板振動(dòng)時(shí),空氣、壓電晶體(起振時(shí)是激勵)等消耗振動(dòng)板能量, 其中受空氣阻力消耗的能量轉變成發(fā)射超聲波。 壓電晶體激勵撤銷(xiāo),則振動(dòng)板振動(dòng)作阻尼呈指數關(guān)系衰減。 把振動(dòng)板簡(jiǎn)化成是一個(gè)彈簧振子,設振動(dòng)板在一個(gè)正弦周期( T = 25μs) 內是標準正弦波,則在發(fā)射頭振動(dòng)板運動(dòng)周期數n ≤發(fā)射頭激勵脈沖數N 時(shí),發(fā)射頭振動(dòng)板運動(dòng)滿(mǎn)足:
x = A ( n) sinωt (1)
式中t ∈[ ( n - 1) T , nT ] , A ( n)是第n 個(gè)周期內的振幅。
k 是常數, E( n) 是第n 個(gè)周期內振動(dòng)板的機械能。
a 是一個(gè)與衰減有關(guān)的常系數, Ef ( n) 第n 個(gè)周期內振動(dòng)板損耗的機械能。
ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。
在n > N 時(shí), 發(fā)射頭振動(dòng)板運動(dòng)能量滿(mǎn)足:
1. 3 接收信號超聲波包絡(luò )
發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波遇到不同介質(zhì)就會(huì )產(chǎn)生回波,接收頭把回波轉變成電能,產(chǎn)生接收信號。 現分析超聲波垂直入射到墻壁面時(shí)的接收信號,接收信號超聲波包絡(luò )由起振階段和衰減階段兩部分組成,如圖1。
接收信號與回波超聲包絡(luò )的各正弦波幅值關(guān)系是:
式中W R 是接收信號包絡(luò )峰值,W Echo 是回波包絡(luò )峰值, H 是回波的單位沖擊響應。
圖1 實(shí)際接收信號( N = 5)
從圖1 中可看出, 接受信號包絡(luò )從起振到峰值的時(shí)間要小于從峰值衰減至噪聲幅值的時(shí)間。 實(shí)際總長(cháng)度接近1. 5 ~ 2 ms ,而從起振到包絡(luò )峰值只需250μs 左右,即9 ~ 12 個(gè)T , T = 25μs.
根據發(fā)射的超聲波能量特點(diǎn), 得出接收信號每個(gè)周期能量的表達式, 設每個(gè)周期內的正弦波是標準正弦波且發(fā)射頭振動(dòng)板尚未達穩定振動(dòng)狀態(tài)。
N 是發(fā)射頭激勵脈沖數。
由(6) 、(7) 式知:在N , a 一定的情況下,每個(gè)反射面產(chǎn)生的回波作用接收頭得到的接收信號經(jīng)歸一化后是相同的。 為了便于取閾值,分析接收信號包絡(luò )的特性與n、N 的關(guān)系是必要的。 首先找出定值a ,方法是取N = 5 , a值在一定范圍內變化得到多幅仿真圖,經(jīng)比較a = 5 000/ s 時(shí)得到的圖2 與圖1 接近。 根據得到的a值可仿真N = 12 時(shí)的接收信號,見(jiàn)圖3.
圖2 接收信號仿真( N = 5 , a = 5 000/ s)
圖3 接收信號仿真( N = 12 , a = 5 000/ s)
2 閾值和分辨率
閾值的選取,決定本測距系統的測量精度。 由于回波的能量大小受入射角、反射面大小、形狀和材質(zhì)、空氣的濕度和溫度等因素決定,為了較精確地測量文獻中機器人與墻壁之間的距離,下面只針對超聲波垂直入射墻壁,接受信號的大小進(jìn)行分析。
在測量時(shí),一旦有干擾物擋住超聲波到墻壁的行進(jìn)路徑,則墻壁返回的信號將減弱,過(guò)高的閾值可能測不到墻壁回波信號,動(dòng)態(tài)閾值因無(wú)規律可循而無(wú)法使用,故此閾值采用小固定值,因接收信號中的噪聲峰值較穩定,固定閾值取3~5 倍噪聲峰值。 由于墻壁回波信號不確定地高低變化,在標定測量參數時(shí),用示波器采集信號,以接收信號包絡(luò )峰值的0. 5 倍處(即圖2 中n = 4 或5 處的時(shí)間) 作為距離信息。 這樣處理的目的是: 即使接收信號過(guò)強或過(guò)弱,測距誤差始終在3~5 cm 以?xún)取?當N 過(guò)大時(shí),盲區會(huì )增大同時(shí)測量精度也會(huì )下降,見(jiàn)圖3.
多目標測量要能區分出兩個(gè)不同目標。 由于閾值取得小,則系統的分辨能力很差,從圖2 上可看出接收信號經(jīng)1. 5 ms 后正弦幅值是包絡(luò )峰值的0. 015倍。 圖2 的波形只有在超聲波垂直入射墻壁時(shí)才能得到,在大多數情況下接收信號從起振到包絡(luò )峰值基本固定,但是接收信號從包絡(luò )峰值以后各不一樣,一般從起振經(jīng)1. 5 ms~2 ms 后都會(huì )降到閾值以下。
在測量墻壁距離時(shí),只要干擾物與墻壁保持30 cm以上距離則墻壁距離能較精確獲得。
3 系統硬件
C8051 系列單片機具有豐富的模擬、數字外設和多種總線(xiàn)接口,支持在線(xiàn)編程,是很多測控系統的首選。系統硬件框圖如圖4 ,C8051F021 有5 個(gè)定時(shí)器,5 個(gè)PCA 通道,測4 個(gè)方向的超聲波傳感器發(fā)射頭可共用1 個(gè)40 kHz 方波信號,實(shí)行同步發(fā)射;4 個(gè)接收頭可接入PCA 的4 個(gè)通道。 信號放大電路的放大倍數在800 左右,即使接收信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器,噪聲峰值也達30 mv.
圖4 單接收頭多目標測量電路框圖
圖5 用示波器標定系統(只有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭)
4 系統軟件
系統軟件基本構架如下:
void main ()
{ cONfig () ; EA = 1 ; While (1) {} ; }
void time0_inter () interrupt 1 {}
void time1_inter () interrupt 3 {}
void time2_inter () interrupt 5 {}
void time3_inter () interrupt 14 {}
void time4_inter () interrupt 16 {}
void PCA_inter () interrupt 9 {}
初始化程序config () : I/ O 交叉開(kāi)關(guān)配置;使用外部時(shí)鐘,指定系統時(shí)鐘;time 0~4 中斷使能,其中time 0 溢出中斷發(fā)生,產(chǎn)生40 kHz 方波信號輸出;PLA 中斷開(kāi)啟。
中斷函數time0_inter ( ) :產(chǎn)生5 個(gè)40 kHz 方波信號輸出后關(guān)閉time0 中斷, TF0 = 0 ; PLA 溢出、邊緣捕捉中斷開(kāi)啟。
中斷函數PCA_inter () :若是溢出中斷發(fā)生(30ms) ,則關(guān)閉PCA_inter ( ) 中斷,CF = 0 ,開(kāi)啟time0中斷;若是CCFn = 1 ,則記下定時(shí)器時(shí)間(與初值相減后代入標定式得距離) ,給定time n 計時(shí)初值并啟動(dòng)time n 溢出中斷( 2 ms) , 關(guān)閉CCFn 中斷,CCFn = 0.
中斷函數time1 _inter ( ) ~ time4 _inter ( ) : 當time n 中斷發(fā)生則開(kāi)啟CCFn 中斷,關(guān)閉time n 中斷, TFn = 0.
5 結語(yǔ)
本文對單個(gè)接收頭在一次采樣時(shí)間(30 ms) 內測量多個(gè)目標進(jìn)行了嘗試,仿真并分析了接收信號波形,用0. 5 倍包絡(luò )峰值標定而用小閾值測量,在2個(gè)目標與接收頭距離之差大于30 cm 以上時(shí)能較精確測量出2 個(gè)目標,誤差不超過(guò)2 cm.
由于一次能在同一時(shí)刻測多個(gè)距離,增大了超聲波傳感器捕獲的信息量,移動(dòng)機器人裝配了該傳感器能在人員不是密集的動(dòng)態(tài)環(huán)境下根據4 面墻壁定位。
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