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。