基于單片機的水下機器人定位系統

　　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(cháng)時(shí)間的存貯而沉淀，他能在按照預先規劃的軌跡行走時(shí)完成攪拌功能。在這種條件下，一個(gè)很重要的問(wèn)題就是機器人定位功能的實(shí)現，用來(lái)實(shí)時(shí)了解其具體位置。本機器人定位系統采用多路超聲波傳感器測距，然后采用三點(diǎn)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(wú)接觸檢測方式，與激光、紅外以及無(wú)線(xiàn)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

　　1.1 超聲波測距原理

　　超聲波測距原理一般采用時(shí)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(zhì)中傳播的速度，t(s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間。而超聲波在介質(zhì)中傳播的速度由介質(zhì)的性質(zhì)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

　　系統硬件框圖如圖1所示，其設計為分布式控制系統。在本系統中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(zhuān)用超聲波傳感器，該傳感器既可做接收用同時(shí)也可做發(fā)射用，其靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時(shí)輸出功率大。溫度傳感器選用DS18B20，該傳感器具有單總線(xiàn)、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(diǎn)。在本系統中使用的單片機(MCU0，MCU1，…MCU4)均選用51系列單片機AT89C52。

　　當系統處于工作狀態(tài)，由MCU0每隔3 s產(chǎn)生一個(gè)脈沖，信號經(jīng)過(guò)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(shí)給MCU2，MCU3，MCU4的中斷INT0一個(gè)低電平，使他們開(kāi)始計時(shí)。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(chǎn)生的接收信號傳給單片機，中間的信號調理過(guò)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(shí)使MCU的INT1中斷。INT0中斷和INT1中斷的時(shí)間間隔即為發(fā)射與接收傳感器間的時(shí)間，他存儲在單片機固定的RAM中。而溫度傳感器DS18B20是分時(shí)完成對環(huán)境溫度的測量的，采用嚴格的時(shí)序單片機進(jìn)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

　　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(shí)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(lái)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(shí)上位機采用VC 6.0作為開(kāi)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(diǎn)定位模塊、數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(shí) 驗

　　2.1 實(shí)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(guò)程中的效果，做了水下定位實(shí)驗，該實(shí)驗是在9 m×7 m的長(cháng)方形水池中進(jìn)行的，水深25 cm左右。在實(shí)驗之前在水平面內建立直角坐標系，同時(shí)在r=3 300 mm的圓周上均勻放置三個(gè)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(shí)驗過(guò)程中超聲波發(fā)射傳感器在此圓周內移動(dòng)。

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

　　2.2 實(shí)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(gè)平面，波束角為60°，其指向性很強，在此定位系統中，3個(gè)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(gè)強，這就影響了接收傳感器觸發(fā)時(shí)的靈敏性。

　　如圖3所示，中間的實(shí)線(xiàn)圓為經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化過(guò)的發(fā)射傳感器的移動(dòng)軌跡，半徑為3 204 mm，這些定位點(diǎn)分散在軌跡圓的周?chē)?，外側的虛線(xiàn)圓為偏離原點(diǎn)最遠點(diǎn)所在的圓，內側的虛線(xiàn)圓為距離原點(diǎn)最近的點(diǎn)所在的圓，最大誤差為8.08％，這些誤差主要來(lái)自于發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差和測距產(chǎn)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(diǎn)就是對于三個(gè)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(chǎn)生的誤差，所以他的定位精度較高，主要誤差來(lái)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(yǔ)

　　從實(shí)驗結果看出，定位系統是可行的，有較高的可靠性，并且本系統的實(shí)時(shí)性可達1 s，其精度也可以達到我們預期的效果，但是硬件系統還有提升的空間。研究?jì)热輰λ聶C器人的定位，信號的采集，數據的遠距離傳輸等都有參考價(jià)值。