超声传输特性和超声传感系统研究

　　通常频段超声波传输不受烟雾、粉尘的影响.超声测距仪的测量距离和精度能满足一般工程上的需要,且具有成本低、使用方便等优点,已广泛地使用于工矿、水文等领域的定向测距.但通常的超声测距仪难以形成移动机器人的超声传感系统,因为这类超声传感系统要有高的稳定性和可靠性,测量的精度也要求很高.有些传感器必须工作于诸如坑道混凝土喷射现场或风沙雨雪的野外环境,声波传输条件和受感目标复杂而多变,膜片式超声换能器无法使用,通常的信号处理方式也不适用.因此,设计使用于特殊要求的移动机器人超声传感器,就成了当前被广泛关注的一个研究课题.本文从超声传输特性的研究入手,寻找影响超声传感器性能的原因和解决的途径,研制了具有独创性的3种超声传感系统:混凝土喷射机械手、地形障碍和自动导引车超声传感系统.这些超声传感系统的设计原则和实验结论等在文中作了简要的论述.

　　1　混凝土喷射机械手超声传感系统

　　在现代快速施工,特别是野战工事快速构筑等作业中,混凝土通过输料车、湿喷机并最终由喷射机械手上的喷嘴直接喷射于受喷基底面上.实验证明,当喷嘴与受喷面距离80cm,且喷射流与基底面垂直时,混凝土反弹而溅落在地面的比例最少.以往是依靠人力来操作的,这是一项极费体力而且定距和定向均很难精确控制的操作.如何实现喷射机械手的智能化,使得喷嘴基本上处于最佳工作状态,就成了一个极待解决的国际难题.

　　从原理上说,采用超声传感器有可能解决此难题.但由于喷射机械手作业条件的恶劣和受感目标(如坑道爆破面)的复杂和多变,具体的实现却很困难,需要对超声传输特性和传感器进行仔细的分析和研究.根据施工作业的具体要求,混凝土喷射机械手超声传感系统——超声测距定向仪的具体指标如下:

　　1)基底取样线度:25cm左右;

　　2)测距范围及精度:0.7～3m,±5cm;

　　3)垂直和水平测角范围及精度:0°～45°,±5;大于45°,以45°计;

　　4)避障探测:喷嘴前方小于70cm、左右方向小于50cm的障碍物.

　　为了探测喷嘴至受喷面的距离,只需测量装于喷嘴上的超声换能器辐射声脉冲并经受喷面反射来的声波传输的时间,在声速已知的条件下,就可算得距离的数值.为了测量喷射方向与受喷面在水平和垂直方向的倾角,就要由指向性很尖锐的几个换能器布阵来实现,以便由水平方向和垂直方向上的相对声程差换算成倾角.在阵列中,距离可取多个换能器的测距平均值.有时喷射方向与受喷面的倾角有较大的突变,测距范围要加大,留有余地地取3m.在实际的操作中,当测量距离大于或小于80cm,就给控制系统传递喷嘴“前进”或“后退”的信息;当喷射方向与受喷面有大于5°的倾角时,就传递使喷嘴左、右或俯、仰转动的信息,而无需传送具体的倾角值.