超声波传感器在电动轮椅车上的应用研究
选择适于轮椅车障碍检测的传感器, 需要满足以下几点要求: ①轮椅车位置不固定, 要求传感器检测信号收发一体; ②检测范围不能太小, 最小也应在几米左右; ③传感器成本不能太高; ④反应速度不能过慢; ⑤对人体无伤害. 目前测距传感器有很多, 光电开关的漫反射式和红外传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器[ 1] , 但检测距离通常为1 米以下, 检测距离短; CCD 采用被动测距时, 探测目标周围的光就能获取目标的位置信息, 成本也不算很高, 但当处于夜晚等光线不足的环境时, 就必须采用主动测距, 这时就需要额外光源. 当采用一般光源时, 耗电量就很大; 当采用激光时, 激光式传感器虽然可检测距离大, 但由于轮椅车上需要安装多个传感器才能满足检测要求, 成本就提高了[ 2-3] .
另一种波式的测距传感器超声波传感器价格便宜, 可用于检测距离较远的物体. 超声检测技术的应用十分广泛, 目前它已成功地应用在测距、测深、探伤、医疗探测等方面, 而其典型应用就是超声测距技术, 而且它不是光学装置, 不受颜色变化的影响[ 4-8] .电动轮椅车使用群体的特点决定了轮椅车的活动范围不太大, 速度不太高, 车身的摇摆、颠簸不很剧烈.电动轮椅车国家标准( GB12996-91) 规定[ 9] : 电动轮椅车分为室内型、室外型和道路型三种, 其中本文讨论的室内型动轮椅车的车速要求≤4. 5 km/ h, 每级障碍物的高度为20 mm, 越沟宽度为100 mm. 因此综合考虑安全性、传感器价格、检测有效性、传感器反应速度及其推广等各方面因素, 本电动轮椅车采用超声波传感器测距, 探测障碍物.
1 电动轮椅车超声波传感器测距原理
1. 1 超声波测距原理
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制的装置可称为超声换能器、探测器或传感器. 加上触发脉冲时, 超声换能器受激以脉冲形式发出超声波, 发射出来的超声波脉冲作用到一个声反射的物体上, 经过一段时间后, 被反射回来的声波被换能器接收, 经过分析处理后就可以测得障碍物的距离.
超声波从发射器到物体表面, 又从物体表面反射到换能器的时间为:
式中, h—— 换能器距物体表面的距离; c——超声波在介质中传播的速度.
因此只要测量出超声波传播的时间t , 就可以得到其传输的距离.
1. 2 电动轮椅车超声波测距原理
微处理器的I/ O 口发出脉冲驱动信号驱动超声波发出信号, 与此同时计数器T0 开始计数, 当遇到障碍物反馈信号到超声波接收器经放大、整形后产生脉冲传送给INT0 产生中断, 微处理器调用距离运算子程序计算出轮椅车距离障碍物的距离, 在LED 上显示. 测距原理图见图1 所示.
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