基于超声测距的障碍物形状识别

1、第24卷 第4期北京信息科技大学学报Vo.l24No.42009年12月JournalofBeijingInformationScienceandTechnologyUniversityDec.2009文章编号:1674-6864(2009)04-0016-05基于超声测距的障碍物形状识别高晶敏,杜洪超,李邓化(北京信息科技大学 自动化学院,北京100192)摘 要:针对超声测距对目标障碍物形状识别问题,利用三个超声波传感器组成探测器,设计了超声测距目标识别电路,通过测量超声波发射脉冲与反射波脉冲之间的时间间隔,可计算出障碍物到探测装置之间的距离;根据物体反射的超声波脉冲到达两个接收器的时间不

2、同,可确定出障碍物表面的边角形状。同时,用Visualstudio2005软件进行了移动避障仿真。实验表明,这种利用三个超声波脉冲传感器探测障碍物边角形状的方法是有效的。关 键 词:超声;测距;避障;形状中图分类号:TN911.22 文献标识码:AObstacles.shaperecognitionbasedonultrasonicrangingGAOJing-min,DUHong-chao,LIDeng-hua(SchoolofAutomation,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100192,China)Abs

3、tract:Fortheproblemoftargetobstacleshaperecognition,Usingthreeultrasonicsensorscon-sistadetector,anddesigningultrasonicdistancemeasurementtargetrecognitioncircuittomeasuretheintervaltimebetweenultrasonictransmitpulseandthereflectionpulses,andwhichcancalculatethedis-tancebetweenthedetectiondeviceandt

4、heobstacles.Inaddition,thearrivaltimeofultrasonicpulsesreflectedbytheobjectedgesaredifferen,twhichcandeterminethecornershapesoftheobstaclessur-face.Atthesametime,mobileobstacleavoidancesimulationisdonebyusingVisualstudio2005sof-tware.Experimentsshowthattheuseofthreeultrasonicsensorstodetectobstacles

5、cornershapesiseffec-tive.Keywords:ultrasonicsensor;ranging;obstacleavoidance;shape1引言超声测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。常用的超声测距方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;而声波幅值检测法易受反射介质的影响,不同反射面的反射率不同,导致测量有误,因此,目前超声测距一般采用渡越时间法。渡越时间法就是通过测量超声发射波与遇到障碍物后产生的回波之间的时间间隔,求出探测装置与障碍物之间的距离D。即D=收稿日期:200

6、9-10-15基金项目:北京市属市管高等学校人才强教计划(PHR200907124)式(1)中,D为超声波探测装置与障碍物之间的距离,C为超声波在介质中的传播速度,T为超声发射到返回的时间间隔。由于空气中超声波传播速度较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的障碍物的结构信息很容易被检测出来,具有很高的分辨率,因而超声波在物体识别等方面有着广泛的应用。本文研究的内容是采用渡越时间法进行距离测量,并根据不同位置的超声波传感器检测到的距离信息进行障碍物边角形状的判断。2超声波反射特性我们可以假设目标物体表面是平滑的,入射到物体表面的超声波信号以镜面反射的方式反射到相2(1)作者简介:高晶敏(1966-

7、),女,山西应县人,副教授,博士,主要从事信息处理与控制的研究。第4期 高晶敏等:基于超声测距的障碍物形状识别17反的方向。超声波信号这种独特的反射特性使我们能够应用虚拟图像的概念来构造超声传感器。假设,超声传感器有发射T和接收R两个不同的位置。如果物体的表面如图1a所示平面,则可以解释为R处接收到的信号是由T的虚像Tc发射的,同样也可以解释为T处发射的信号直接到达R的虚像Rc。所以三角形$TAR和$TcARc中线段具有的关系为TcR=TA+AR(2)1图1b所示,显然,我们可以得到TcR=RA+AB+BR(3)当被测物体是圆柱体时,由T发出的超声波在A处发生反射,PQ为反射的切面,反射原理和

8、在平面上的反射特性一样,其法线的反向延长线通过圆柱体的圆心。由图1c可以得到H1=H2,TA=RA(4)3超声波传感器的安装结构根据上述超声波反射特性的原理,可以对目标表面的形状进行划分。本方法采用三个超声波传感器排成一行如图2所示,中间是收发一体的超声波传感器记做T0R0,左边的是一个发射超声探头记做T1,右边的是一个接收探头记做R1,d为超声波传感器之间的距离。由于各传感器功能不同,所以其驱动电路有所不同。a超声波在平面上的反射特征 b超声波在边角上的反射特征图2 超声波传感器结构c超声波在圆柱表面上的反射特征图1 超声波在各种形状上的反射特性3.1收发一体超声波传感器驱动电路2收发一体型

9、超声波传感器只有一个换能器,既能发射又能接收,发射信号和接收信号分时作用在测量由两个交叉平面组成的直角情况下,由T发射的超声波信号经过两次反射到达R的情况如于换能器上。由于发射信号和接收信号的幅值相差很大,所以要设计专门的驱动电路3,如图3所示。图3 收发一体型超声波传感器驱动电路18北京信息科技大学学报 第24卷为了避免发射回路对接收回路信号的干扰,这里引入隔离变压器;为了提高输出功率,引入R3电阻,用于与超声波换能器进行阻抗匹配。在变压器副线圈导通时,由于加在换能器上的电压很大,所以接地的两个反向并联二极管对接收电路的前置放大输入端进行钳位,使其电压最大不超过0.7V,以避免前置放大输入端

10、电压过高而发生阻塞。超声波在空气中传播时,遇到目标物体反射的回波信号加载到超声波换能器上,由于压电效应,换能器产生毫伏级的电压信号,由于二极管的导通电压为0.7V,所以回波信号不能通过由两个反向并联的二极管和变压器副线圈构成的回路,只能通过电阻R4、电容C3送入前置放大电路的输入端,经放大、整形后送往单片机中断响应端口1,由单片机计算发射信号与回波信号的时间间隔。3.2独立式发射接收驱动电路4图4为独立式发射探头驱动电路。为了提高图4 独立式发射探头驱动电路图5为独立式接收探头信号处理电路。超声波在空气中反射回来后,能量衰减较大,信号微弱,一般只有几毫伏的峰值电压,需要经过放大处理。这里采用两

11、级放大。R7和R8组成分压电路,用以调整运放的工作点,以得到完整的回波信号,放大后的信号通过比较器产生TTL矩形波,从而给单片机提供中断信号2,由单片机计算发射信号与回波信号的时间间隔。驱动能力,将非门并联使用并接成推挽式。其中C3、C4为耦合电容,以避免超声波振子长时间加直流电压而使特性变差。图5 独立式接收探头信号处理电路4平面、边角、圆等表面的识别用上述介绍的超声波探测装置进行物体识别时,两个发射传感器分时发送超声波脉冲,分时的目的是为了避免超声波信号的相互干扰,同时,根据两个接收传感器接收到的超声波脉冲的时间不同,确5定物体表面的形状。这种超声波探测装置可以区分平面、边角和圆柱体等形状

12、。进行识别时,首先区分要探测的形状是否为边角(边角可以分为凸角和凹角),若不是边角,然后再确定是平面还是圆柱体。首先,假设tij是超声波信号由发射传感器Ti到接收传感器Rj的渡越时间,S1、S2、S3、S4是相对于渡越时间t00、t01、t10、t11的距离。由图6可以看出超声波分别在遇到凸角和凹角时的反射情况。当目标物体表面为凸角时,发射传感器T1发出的脉冲经过凸角反射后,接收传感器R1根本接收不到超声波脉冲,此时,可以判断出障碍物的边角是凸角。在R1能接收到回波信号时,可以先判断出障碍物形状是否是凹角。当边角是凹角的时候,虚像产生在和凹角旋转对称的位置,且满足S1=S4,也就是第4期 高晶

13、敏等:基于超声测距的障碍物形状识别19一个圆柱可以看成为二维空间的圆,如图7所示,用圆周上三点A、B、C来确定圆的半径r。a在凸角中的反射情况图7 三点测量法确定rb在凹角中的反射情况由以上的定义、规则可以得到T0B+BR0=S1T0C+CR1=S2T1A+AR0=S3(7)(8)(9)因为dnS3,dnS2。所以我们为了简化计算,假设T1A=AR0,T0C=CR1。可以得到PA= QC=T0B=S21S23-1S22d2(10)1d2c在平面中的反射情况图6 超声波在边角处的反射情况-(11)(12)说渡越时间t00和t01是相同的;从目标物体表面为平面的反射情况可以看出,到达R1的渡越时间

14、要比R0的时间长,且满足S1<S4,因此,我们可以利用S1=S4这个关系判断出障碍物的形状是否是凹角。这里,定义一个阈值S0,根据下面的公式来判断表面形状是否为凹角。目标物体表面为凹角时,有t00-t11S0目标表面为其他形式时,有t00-t11>S(6)0在用上述公式判断出目标物体表面有反射但非凹角后,可以进一步区分障碍物是平面还是圆柱体。平面可以解释为具有无限半径的圆柱,因此可以将6平面看成圆柱的特殊情况。假设目标物体表面为圆柱,则通过测量其半径可以确定障碍物具体的形状。(5)根据反射角的法线PA和QC必经过圆心O,由余弦定理得到(PA+r)=(T0B+r)+221d2122-

15、(13)2d(T0B+r)cosH(QC+r)=(T0B+r)+22+d(T0B+r)cosH(14)如果目标物体表面为平面时,r为无穷大,因此由式(13),(14)相加,常数项忽略不计,r的系数相等而得到PA+QC=2T0B判断障碍物是圆还是平面。PA+QC-2T0BS1PA+QC-2T0B>S1(16)(17)(15)可以定义一个阈值S1,则根据下面的式子可以20北京信息科技大学学报 第24卷当满足式(16)时,目标物体表面为平面,当满足式(17)时,目标物体表面为圆型。或者,将式(13),(14)联合化简可以求出目标障碍物的半径r,即2T0B+r=222d-PA-QC22(PA+Q

16、C-2T0B)26结论利用超声回波的方法不仅可以测得障碍物的距离信息,而且通过对距离信息的进一步分析,还可以得到简单障碍物的形状信息。本文采用三个超声波(18)设定一个阈值r0,当障碍物半径r小于阈值r0时,认定此障碍物为圆柱形障碍物,否则障碍物的形状为平面。传感器组成探测器,分别针对每一种超声波传感器设计了专门的驱动电路。根据障碍物反射的超声回波到达两个接收器的时间不同,确定出障碍物表面的边角形状。在仿真实验中,利用三个超声波传感器探测障碍物边角形状的方法具有很高的准确度。5障碍物边角形状识别仿真我们利用Visualstidio2005中的MFC建立了一个仿真环境。按照上述算法,编写了移动物体在路径AB之间避障移动中识别障碍物边角形状的仿真7程序。在一矩形平面中,A为起始点,B为终点。首先在平面中随意摆放了边角形状为圆形、凹角、凸角和平面的各种障碍物。程序运行后,在MFC中自动显示出一条由A到B的路径来模拟移动物体的避障轨迹,同时,在路径附近障碍物的边角信息以数字的形式表示出来,1表示凹角,2表示圆形,3表示凸角,4表示平面。具体仿真结果如图8所示。由图8中可以看出,在轨迹中对边角信息能够进行正确的判断。参考文献:1冯诺.超声手册M.南京:南京大学出版社,20022肖峻,牛炜,莫易敏,等.收发同体型超声测距系统设计J.传感器