用于微地形探测的超声波测距系统

　　1 前 言

　　超声波测距是一种传统而且操作简单、实用的非接触测量方法, 它不受光线、颜色以及电磁场的影响。在恶劣作业环境下有一定的适应能力, 因此利用超声波进行距离测量在工业控制、建筑测量、机器人定位、辅助视觉系统等方面得到广泛的应用[2,3,4]。

　　与多波束回声探测、高分辨率地层剖面探测以及水下高速摄影等地形测量方法相比, 单波束回声探测系统更适合于在水下微区域的地形探测[6～8]。因为钴结壳采掘头在水下工作时, 它通常离海底表面高度 2～3 m 之间, 采掘反应时间较短, 同时它要求预知前面区域的范围较小。本文正是基于单波束回声探测原理而建立了一套单波束多探头超声波探测系统, 使之用于微地形探测系统中, 现场测量并采集 DEM数字高程数据, 进而进行地形地貌的曲面重构及可视化。该系统具有测量速度快、精度高、操作简便、能实时测量微地形的高度并且测量精度能达到厘米级等特点。

　　2 系统组成及工作原理

　　本地形探测系统由单片机控制系统、4 对收发分离的超声波传感器、功率放大电路、回波高增益放大电路、带通滤波电路、比较电路、D 触发电路、温度检测电路、A/D转换电路、8279 接口电路、显示器、键盘、打印接口电路、与上位机通讯接口电路、万向支架、稳压电源、上位机、行走机构、机械手及采矿车等组成。工作时使 4 对探头按一定的间隔安装于万向支架上, 该万向支架能保证各个探头始终垂直于地面, 由于探头的波束角很小( <25°) , 从而有效保证了各探头到水平地面垂直测量高度。4 个万向支架按一定间隔等距固定在支撑臂上, 工作时该支撑臂通过传动机构平行于地面低速移动, 从而能够测量出某一块微地形各个空间点的垂直高度。同时, 为了方便处理, 发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。该测距系统结构框图如图 1 所示。AT89C52 单片机是整个测距系统的核心部件, 协调各部件的工作。单片机通过软件编程产生 40 kHz 的脉冲信号经功放后驱动超声波传感器, 每次发射 4 个脉冲, 当第一组超声波脉冲发射的同时, 计数器 T1 开始计数, 同时采用延时接收技术,屏蔽触发器的 D 端, 保证在发射期间不允许 D 触发器因收到虚假回波而误翻转。在检测到第一个回波脉冲包络线前沿时, 计数器 T1 停止计数, 这样就能够得到从发射到接收的时间 Δt ;温度检测电路也将采集的现场环境温度数据 T 经 A/D 转换后送到单片机中, 以进行对超声波传播速度 v 的修正。最终单片机利用测距公式 s=( v·Δt) /2和速度补偿公式 v=331.5+0.607T 计算出被测距离, 同时可以打印出测量数据。