機器人超聲測距數據的采集與處理

摘要：介紹一種基于單片機控制的三種超聲測距系統的構成、工作原理和誤差分析。利用本系統及其設計方法可以作為農業(yè)機器人輔助視覺(jué)系統。

關(guān)鍵詞：機器人 超聲波測距 單片機 串行通訊 數據采集

機器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著(zhù)廣泛的應用前景。其關(guān)鍵技術(shù)取決于機器人視覺(jué)系統設計的精確與否。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測距傳感器，實(shí)現定位及環(huán)境建模。越聲波測距作為輔助視覺(jué)系統與其他視覺(jué)系統（如CCD圖象傳感器）配合使用，可實(shí)現整個(gè)視覺(jué)功能[7]。

超聲測距原理很簡(jiǎn)單，一般采用渡越時(shí)間法：即D=CT/2，其中D為機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(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。本超聲測距系統共有3對超聲換能器，分別放在智能移動(dòng)車(chē)的上、中、下三個(gè)位置上。本系統采用一片89C51單片機對三路超聲信號進(jìn)行循環(huán)采集，并將數據送到數據緩沖區存儲[1,2]。上位機采用PC-586。當上位機需要數據時(shí)，向下位機發(fā)出申請，下位機通過(guò)中斷的方式向上位機發(fā)送數據。上位機與下位機通過(guò)RS-232串行口相連。

1 系統硬件設計

為了能在測量距離的同時(shí)判斷出物體的大致形狀，應設計成多傳感器測距系統。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)射的超聲濾被調制成40kHz左右、具有一定間隔的調制脈沖波信號。該測距系統結構框圖如圖1所示。由圖可見(jiàn)，測距系統由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計測、微機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的產(chǎn)生、多路選擇及換能器等環(huán)節。

超聲波發(fā)送脈沖如圖2所示。40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機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)調制脈沖內包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。本系統有三路測距通道，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有被測物的話(huà)，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應當接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認為前一路無(wú)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)際應取t≥30ms。

發(fā)送的超聲波脈沖經(jīng)多路選擇開(kāi)關(guān)CD4052按序分別送到上、中、下三路發(fā)送轉換能器上。采用緩沖器CD4050是考慮用其兩個(gè)門(mén)來(lái)驅動(dòng)一路發(fā)送換能器，以加大發(fā)射驅動(dòng)能力。

1.2 超聲波接收

這部分由接收換能器、多路選擇開(kāi)關(guān)、比較及控制等環(huán)節組成。由于在距離較遠的情況下，聲的回波很弱，因而轉換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬(wàn)倍左右。采有三級放大：前兩級種放大100倍，采用高速精密放大器LM318，其帶寬為15MHz，放大倍數為100倍時(shí)，能充分滿(mǎn)足要求；第三級采用LF353運算放大器，帶寬為4MHz，對于62倍的放大倍數，能充分滿(mǎn)足條件[3,6]。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形輸出一個(gè)方波信號，此方波信號上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷服務(wù)程序中，讀取時(shí)間計數器的計數值，并結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(kāi)關(guān)）。

1.3 時(shí)間計測

超過(guò)波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間的測定是由單片機內部的計數器T1來(lái)完成的。在調試過(guò)程中出現的發(fā)送部分與接收部分的直接串擾問(wèn)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(kāi)始一直到“虛假反射波”結束[5]這段時(shí)間，通過(guò)控制觸發(fā)器(74LS74)不能觸發(fā)，從而不會(huì )發(fā)中斷申請，可有效躲避干擾，但也會(huì )形成所謂的“盲區”。本系統的盲區約為20cm左右。

1.4 微機控制部分

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

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。本超聲測距系統采用曲線(xiàn)擬合的最小二乘法對測量數據進(jìn)行擬合，使其精度達到±4cm。

2 系統軟件設計

2.1 超聲數據的采集與處理軟件

本系統軟件分兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成系統初始化、選擇能路號、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)程序包括內部T0中斷和外部INT0、INT1中斷服務(wù)程序。T0設置為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轉換結果，并將相應數據值轉換為環(huán)境溫度值；INT1停止T0、T1計數，根據T1內容計算時(shí)間T，并進(jìn)行最終距離的計算。先計算超聲波傳播速度：C=331.4×（根號1+t/273），再計算距離：D=CT/2，并將計算結果送入緩沖區以備通訊。T1工作在方式2，并設計成門(mén)控方式。

2.2 串行通訊程序

為了不影響下拉機完成其他工作，本系統采用下位機以中斷的方式向上位機發(fā)送測距數據，在測距主程序中開(kāi)串行口中斷。進(jìn)入中斷程序后，仍采用查詢(xún)方式發(fā)送數據。

上位機（PC-586）以子程序的形式給出接收程序。若系統需要新的測距值時(shí)，就調用一次接收子程序。接收子程序框圖如圖6所示。接收子程序收到一個(gè)數據后，判斷數據傳輸是否有錯，若有錯就向下位機發(fā)“01”命令，下位機收到此命令后，則重表發(fā)送；若傳輸過(guò)程無(wú)錯，向下位機發(fā)送“00”命令，下位機則繼續發(fā)送下一個(gè)數據。

3 誤差分析

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

（1）超聲波波束對探測目標的入射角的影響；

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

（3）超聲波傳播速度對測距的影響。穩定準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、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響。因此需對聲速加以修正。對于測距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化。本文采用聲速預置和媒質(zhì)溫度測量結合的方法對聲速進(jìn)行修正，可有效地消除溫度變化對精度的影響。

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

本系統硬件簡(jiǎn)單、容易實(shí)現、測距范圍比較大、測量誤差可以控制在±4cm左右。超聲測距系統向上位機發(fā)送數據和下位機的數據采集相互獨立，可以同時(shí)進(jìn)行，保證了測距數據的實(shí)時(shí)性。