用于移动机器人避障的超声测距系统

　　0 引言

　　超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现等优点,被广泛用作测距传感器,以实现移动机器人避障、定位及环境建模等。本超声测距系统用于移动机器人避障,采用渡越时间法测距,即D=ct/2,其中D为移动机器人与被测物之间的距离,c为声波在介质中传播速度,t为超声波从发射到返回的时间间隔,即渡越时间。该测距方法主要是测量渡越时间t。在这里测距主要是用于移动机器人避障,测距精度要求不是很严格,因此忽略温度对测距的影响,一般认为c为常数,通常取c=340m/s。

　　1 系统硬件设计

　　本超声测距系统共有8对超声波传感器,分为3组。第1组4对传感器,其中2队置于正前方,1对置于左前方,1对置于右前方;第2组2队传感器置于正左方;第3组2队传感器置于正右方,分别用于探测各自方向上障碍物的信息。在硬件设计上,采用上、下位机结构,下位机主要完成测距数据的采集处理,上位机则根据下位机采集的距离等数据完成复杂的避障算法。下位机采用AT89C51单片机对8路超声信号进行循环采集,并将数据送到数据缓冲区存储,同时还把所采集的距离数据及时传给上位机。上位机采用PC机,一旦下位机有数据发送就立即启动中断接收子程序接收。上位机与下位机通过RS-232串行口相连。在软件设计上,下位机采用MCS-51单片机汇编语言完成,上位机采用C语言编程。该测距系统结构框图如图1所示,测距系统主要由超声波发送、接收、计测时间、单片机控制等部分组成。

　　1.1 超声波发送电路

　　超声波发送包括多谐振荡器、功率放大、多路选择开关及超声波发射传感器等环节。图2为单独一路的40kHz超声波发送电路(略去多路选择开关)。其工作原理如下:

　　①图2中2个4011与非门IC1A、IC1B及电容C1、电阻R1、R2以及可调电阻RP1组成多谐振荡器(调节RP1可调节谐振频率),振荡频率由下式决定:

　　②6个反向器4069构成驱动电路,目的是进行功率放大以提高驱动功率。P3.4控制多谐振荡器的振荡:输出高电平时,电路振荡;发送40kHz超声波,输出低电平时,停止发送。

　　③脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有8路测距通道,采用分时工作,按顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测物的话,则应在后一路超声波发出之前接收到前一路发出的反射波,否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以估算出最短的发送脉冲间隔时间。本系统采用60ms的间隔,能很好地满足要求。

　　1.2 回波接收电路

　　回波接收电路由超声波接收传感器、多路选择开关、三级回波放大以及电压比较整形等环节组成。图3为单独一路接收电路原理图(略去多路选择开关)。其工作原理如下: