机器人避障超声波测距系统(硬件)_图文

1、机器人避障超声波测距系统第一章绪论1.1 课题研究的背景及意义机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科,它在众多的科技领域与生产部门中得到了广泛的应用,并显示出强大的生命力。它是集精密机械、光学、电子学、检测、自动控制、计算机和人工智能等技术于一体,形成的一门综合性的新技术学科。机器人的发展有很长的历史,早在三国时代,诸葛亮造的“木牛流马”就是古代机器人的一种雏形。机器人(robot一词来源于 1920 年捷克作家卡雷尔查培克所编写的戏剧中的人造劳动者,在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中,代替人们去完成某些工作。在机器人发展历史上,

2、存在两条不同的技术路线:一条是日本和瑞典所走的“需求牵引,技术驱动”,他们把美国开拓的机器人,结合工业发展的需求,开发出一定系列特定应用的机器人,如弧焊、点焊、建筑等等,从而形成了庞大的机器人产业;另一条是把机器人作为研究人工智能的载体。看成是计算机科学的一部分,单纯从技术上仿人的某些功能出发研究机器人。自从为了抓取放射性材料而设计制造的第一台遥控机械手诞生至今已经有50多年了,而六十年代第一台工业机器人问世也40多年了。之所以当初称之为工业机器人是为了同虚构的机器人及玩具机器人加以区别。目前所说的机器人大多指工业机器人。第一代机器人,主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人。示教内容为机器

3、人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。第二代机器人具有一定的感觉装置,能获取作业环境、操作对象的简单信息,通过计算机处理、分析,机器人作出一定的推理,对动作进行反馈控制,表现出低级的智能。第三代机器人是指具有高度适应性的自治机器人,它具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑思维判断决策,在作业环境中独立行动。作为“第三代机器人”的智能机器人是这样一类机器人:机器人本身能对所处的工作环境、工作对象及其状态做出反映,它能根据人给予的指令和“自身”对外界的了解来独立的决定工作方法,利用操作机构和移动机构实现任务目标,并能适应工作环境的变化。自主式移动机器人也属于智能机器人。关于移动机器人的研究涉及许

4、多方面。首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式的、腿式的,对于水下移动机器人则是推进器。其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为。第三,必须考虑导航和路径规划,对于后者,有更多的方面考虑,如传感器信息融合、特征提取、避障和环境映射等。因此,移动机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。在移动机器人自主行走的过程中,不可避免的会遇到一些障碍物,所以灵活、实时的避开这些障碍物是移动机器人必须拥有的一种基本能力。为了实现这种能力,移动机器人必须通过外部传感器来收集周边环境的信息数据并通过这些信息建立起外部环境的模型,从而实现类似于人的避障行为。在移动机

5、器人环境探测的过程中,人们多采用视觉系统探测周围环境,并利用图象信号分析处理技术获得环境信息,从而引导机器人的运动。比如,由浙江大学研究开发的以美国 TROBOT 公司ATRV-2 为平台的移动机器人,就是以放置在移动机器人上方的彩色CCD摄像机和安装在内部微机主板上的图象采集卡组成的视觉系统来探测前方障碍物。采用视觉系统避障可以获得较完整的环境信息,但由于图象处理运算量大,需要高性能的信号处理设备,致使这类系统体积较大、能耗高、实时性差。近年来,为了克服单纯视觉系统在应用上的不足,人们开始研究采用其他非摄像类传感器探测环境信息,直接采用多个廉价超声波传感器来进行测量。由于超声波指向性强,能量

6、消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。由于移动机器人具有一般机器人所不具备的移动能力,从而使之更具备“代替人”作业的实力。移动机器人在移动过程中不可避免会遇到各式各样的障碍物,灵活、实时的躲开这些障碍物是衡量其性能的关键指标。具有避障功能的移动机器人拥有相当高的社会价值,被大量应用于航天、军事、制造业、医疗、交通等。比如在制造业中,柔性装配系统(FAS是柔性制造系统的主要组成部分。近年来,为响应产品换代的频繁变化,FAS的构

7、形发生了很大变化,发达工业国家已出现了动态可重构形的柔性装配系统,在这类系统中,众多的具有避障功能的移动机器人代替了通用的传送带。同样具有避障功能的移动机器人能给不能行走的残疾人士带来福音。现在,大多数残疾人士使用电子轮椅,由于驾驶这种轮椅需要相当大的技巧,对于那些残疾人士来说,灵活自如的驾驶这类轮椅将有一定的难度。而拥有自主导航和避障能力的移动机器人将轻易的解决这类问题。1.2国内外研究现状从 80 年代开始,美国国防高级研究计划局专门立项,制定了地面无人作战平台的战略计划。如 DARPR 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆计划。能源部制定了为期10 年的机器人和职能系统计划,以及后来的空

8、间机器人计划。美国 NASA 研究的火星探测机器人于 1997 年登上了火星。为了在火星上进行距离探测,又开始了新一代样机的研制,命名为 Rocky7,并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。美国的 MDARS 项目是在著名的保安机器人 ROBART 的基础上建立的一个多移动机器人平台,后来在指定地点执行随机巡逻任务。德国研制了一种轮椅机器人,并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和 1998 年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过36 小时的考验,所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人和移动机器人所不可比的。对机器人自主性的挑战来自要求完成的任务以及高度非结构化和变

9、化的环境。在大多数室外环境中,要求机器人完全自主的完成任务目前还有一定的困难。远程操作的半自动机器人,毫无疑问是一个发展方向,因此先进的远程操作技术是将来必需的。国内在移动机器人的研究上起步较晚,大多数尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作有:清华大学智能移动机器人于1994 年通过鉴定,涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划研究;基于传感器信息的局部路径规划研究;路径规划的仿真技术研究;传感器技术、信息融合技术研究;智能移动机器人的设计和实现。另外,还有中国科学院沈阳自动化研究所的 AGV和防暴机器人;中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动机器人视觉导航系统;哈尔滨工业大学于

10、1996 年研制成功了导游机器人。随着汽车的普及,大中城市中的慢性堵塞和交通事故的增加已成为一个大的社会问题。尤其在高速公路上行驶的汽车,时速通常在100公里每小时以上,一旦出现险情,留给驾驶员的时间是很短的,世界各地,由于雨、雾等原因引起的高速公路上的恶性交通事故时有发生。如何利用汽车和道路的智能化来提高安全性能和交通效率已成为各发达国家关注的热点。因此,目前移动机器人的研究开始偏向汽车的自主驾驶和辅助驾驶的研究。部分发达国家重要的研究计划包括:美国: IVHS(智能车辆高速公路系统欧洲: AVS(先进安全车辆SSVS(超级灵巧车辆系统VICS(车辆信息和通信系统ARTS(先进道路运输系统U

11、TMS(通用交通管理系统中国:THMR-V(清华大学这些计划中,各极其重要的环节是能在汽车行驶过程中探测障碍物与行人,并发出报警、自动启动刹车和避障的关键技术。1517 1.3本课题内容本文主要设计了机器人避障测距系统的硬件部分,主要有以下内容: (1了解机器人避障超声波测距的研究背景,国内外发展状况,提出课题的研究意义。(2对测距技术进行研究,就当前比较流行的激光测距技术和超声波测距技术的原理进行探讨,比较两种测距的优缺点,针对本课题的实际,提出采用超声波测距的优势所在。(3提出系统硬件设计方案。初步探讨了超声波传感器的工作原理。概括性地叙述了超声波发送电路以及接收电路中的限幅、多路电子开关

12、、放大、滤波、整流以及比较等几部分。由于在设计过程中为了使系统稳定,必须对串扰问题进行解决,为此,还介绍了串扰处理电路的设计,还把针对本课题的AT89C52单片机控制系统进行说明。(4简单介绍了单片机的编程语言C51语言及软件设计的流程图。然后针对本课题提出软件编程方案:采用模块化设计,整个程序的编写分主程序、发射子程序、中断接收子程序、定时子程序等模块进行。第二章机器人避障策略和测距方式的研究2.1 路径规划和避障策略所谓路径规划就是智能自主移动机器人能按照存储在其内部的地图信息,或根据外部环境所提供的一些引导(既通过对环境的实时探测所获得的信息规划出一条路径,并能够沿着该路径在没有人工干预

13、的情况下,移动到预定目标,同时完成预定任务。执行这个过程的算法就是路径规划算法。移动机器人有多种导航方式,根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同,可以分为基于地图导航、基于路标导航、基于视觉导航、基于感知器导航等。目前还出现了其他的导航系统,如美国的GPS卫星导航系统。本文主要研究的基于超声波传感器避障属于感知器导航。最优路径的搜索既可以采用软件的方法,也可以根据退火算法利用硬件来实现路径规划,这种方法虽不能保证所得的路径绝对最优,但能以较小的时间代价来换取相对优化的路径;基于环境拓扑特征的路径规划可以减少对地图精确性的依赖,从而扩大路径规划的范围。当移动机器人通过各种

14、传感器获得一定量的周围环境信息时,如何利用这些有限的环境信息,来实现机器人的实时控制,一直是机器人研究者所关心的一个问题,这也是移动机器人进行实时避障所必须解决的一个难题。为此,许多新颖而实用的控制算法被提出来,在一定程度上解决了这个问题。他们一般能分为两类:全局规划与局部控制。在此,对几种比较常用的控制算法作出简单的介绍。由于移动机器人在避障过程中需要较强的实时性,所以要求控制算法具有较强的处理数据的能力,势场法作为全局规划方法的一种方面具有一定的优势。对于势场法而言,每一个障碍物都由一个二维的笛卡尔栅格来表示。目标位置对移动机器人产生一种虚拟的吸引力,而障碍物对机器人产生一种虚拟的排斥力。

15、这两种力的合成就决定了移动机器人的运动。然而势场法也具有自身的缺点,主要表现在 4 个方面:(1存在陷阱区域;(2在相近障碍物之间不能发现路径(3在障碍物前振荡;(4在狭窄通道中摆动。局部控制的方法主要应用在一个未知的环境中。它是一种完全基于传感器信息的反映策略。因此机器人和环境中的障碍物的绝对坐标并不需要知道,但必须了解其相对位置及关系,所以大量的传感器被利用来探测周边的环境信息。但由于要处理大量的探测信息,因此实时性较差。最近几年,人们发现要建立起移动机器人避障过程精确的数学模型非常困难,所以大家都把目光投向了模糊逻辑和神经网络这两种控制算法。这两种方法的共同点在于易于表达某些难以精确描述

16、的规则。模糊逻辑适合表达模糊和定性知识,具有类似于人类思维的推理方式。神经网络具有并行计算、容错性和自学习等优点。这两种方法的这些特点对移动机器人实现实时避障显然比以往的控制算法更具有优势。然而它们的缺点也很明显:模糊逻辑的运算量随规则数量的增加而成几何级数增长,因而在模糊规则较多时难以付诸实施;神经网络收敛速度比较慢,不适合表达知识,不能较好利用已有的经验知识。针对上述情况,有些人提出把模糊逻辑与神经网络结合起来,从而产生了一种新颖的控制算法模糊神经控制算法。由于模糊神经网络能提供一种推理方法,能够把模糊理论所具有的较强的推理能力与神经网所具有的自学习、自适应、容错性和并行性相结合。模糊神经

17、网络基于模糊规则的控制和决策系统已被较为广泛地应用于各个领域之中。特别对于难于用精确数学模型表述的复杂系统如智能移动机器人的自主避障有明显的效用。许多研究人员正是用这种方法取得了较大的进展。2.2 测距方式的研究在研究机器人的避障时,环境信息的采集是研究的关键问题。距离测量为移动机器人提供了周围环境的二维或三维信息,是移动机器人中不可缺少的组成部分。移动机器人可以根据这些信息进行实时避障、导航和执行特定的任务。通常,对获取这类环境信息的传感器有两方面的要求:一方面,需要有足够大的视场来覆盖整个工作区;另一方面,需要有足够高的采集速率以保证在运动的环境中提供实时的信息。(1无源测距技术经典的距离

18、测量方法使用无源测距技术,我们称之为被动方法,例如立体视觉和结构光方法:立体视觉:在机器人获取信息的各种感知器中,视觉系统无疑是最重要的。从仿生学的角度来说,基于双目视觉原理的立体视觉系统最接近生物体的视觉系统,但由于受到原理计算法的限制,测距精度和成象速度不能满足要求。结构光测距:结构光测距的原理与光学测距法类似,使用单一光点或平面逐点测量从而获得物体的完整的三维描述。这种方法虽然能够产生比较精确的结果,但是其速度过慢而无法用于实时任务。在移动机器人的领域中,无源测距方法大都无法同时满足可靠性或实用性的要求。有源测距技术使用主动传感器替代被动传感器,它由于具有以下的两大优点而在实时机器人领域

19、显示出诱人的魅力:A.主动传感器不存在复杂的图象匹配技术,不象立体视觉需要通过大量的计算获取距离数据,因而实时性好,测距速度快;B.主动传感器不易受到如天气状况、光照条件及表面标记、阴影、污渍等外界条件的影响。主动传感器工作时不仅使用自然光照,它自身也对被测物体产生光照。此外,在多数主动传感器系统中,有源光的发送和接受是同轴的,这就从本质上解决了结构光和立体视觉方法难于解决的“消失片段”问题。(2有源测距技术在有源测距技术中,常用的主动传感器主要有超声波、微波雷达和激光雷达三种。A.超声波传感器超声波是一种只有少数生物(如蝙蝠、海豚才能感觉到的机械波,其频率在20KHz以上,波长短,绕射小,能

20、定向传播。它具有纵波(在气、液、固中传播、横波(在固体中传播和表面波(沿固体表面传播三种波形,而且遇到杂质或传播界面回产生明显的反射。这种反射不是严格定向的,具有散射性。在移动机器人中应用的超声波传感器,是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性(纵波,通过接收自身反射的超声波反射信号,根据超声波发出和回波接收时间差及传播速度,计算出传播距离,从而得到障碍无物到机器人的距离。从发射波束特性知,由于扩散角的原因,使超声波测距的角度分辨率较低,但距离分辨率较高。超声波传感器具有反应灵敏、探测速度快的优点,而且结构简单,体积小,成本低,因而在目前已知的移动机器人中,多数都安装了它,用于室内和室外近

21、距离避障。通常,以多个传感器组成阵列形式,根据单个传感器扩散角及反射特性。确定合理的密度,以覆盖要求的探测区域。111总的来说,超声波传感器的造价低廉、速度快、距离分辨率较高,但其方向性差、镜面反射严重、测距范围小,因此,比较适用于室内环境的距离测量。B.红外传感器红外线也是一种只有少数生物(如响尾蛇才能感觉到的光波,其波长为1nm1000nm,具有定向传播和反射能力。尽管自然界中各种物体均能不同程度的释放出红外能量,但由于其波长和大小很难正确分辨,故移动机器人上的红外传感器,工作原理与超声波传感器类似,同样采用发射固定波长的红外线并接收同一回波的主动方式,其探测特性和超声波传感器恰好相反,即

22、角度分辨率高,而距离分辨率低。当然,它同样具有灵敏度高、结构简单、成本低等优点,因此在移动机器人中,常用作接近觉传感器,探测临近或突发运动障碍,便于机器人紧急停障。C.微波雷达微波是一种电磁波,其定向传播及反射性能介于超声波和激光之间。作为新型测距传感器,其工作原理与超声波传感器相同。角度分辨率高于超声波和红外传感器,低于激光传感器,距离分辨率略高于超声波传感器。目前最大探测距离介于超声波和激光测距之间,最小探测盲区距离略低于超声波传感器。微波雷达的优点是因目标的颜色、材质等不同而引起的反射率变化小,对雾的透过率高,受灰尘、雾、雨的影响小,在各种目标和气候条件下都能比较稳定的进行探测。缺点是利

23、用车载的小型天线时因为不能形成尖锐的射束,所以不能进行高精度测角。一般很难进行高精度测位。另外,根据目前的电波法规定,微波一般是不能使用的,但是不久的将来,经过修改以后,这种规定会被解除的,这项高新技术的产品,已用于国外汽车倒车及高速公路车辆间距监测等实用技术领域,并开始安装在新研制的移动机器人上,是一种很有前途的移动机器人深度信息传感器。D.激光雷达近年来,激光雷达因具有测量速度快、测程远、测距精度高、方向性好、镜面反射小、造价适中等优点而受到广泛重视。激光调制波的强度大,有利于远距离目标的测量及目标与背景的区分;光速窄、平行性好、散射小,保证了很好的测距方向分辨率;一般为单一频率的光波,光

24、谱比较纯,保证了较高的信噪比。通过二维或三维的扫描激光束或光平面,激光测距雷达能够以相对高的频率提供大量准确的距离数据。激光测距雷达与其它距离传感器相比,它能够较好的同时考虑到精度要求和速度要求,特别是在移动机器人领域。它与传统获得深度信息的方法不同,激光测距雷达不仅可以在有环境光的情况下工作,也可以在无环境光中工作,而且在无环境光的情况下测量效果更好。3如上所述,超声波测距技术是一种有源非接触性测距技术,是利用超声波在空气中的定向传播特性和固体反射特性,通过接收自身反射的超声波反射信号,根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度,计算出传播距离,从而得到障碍物到机器人的距离。由于超声波传感器具

25、有成本低廉、采集速度快、距离分辨率高、质量轻、体积小、易于装卸的优点,并且超声波传感器在采集环境信息时不存在复杂的图象匹配技术,不需要通过大量的计算就可获得数据,因而其测距速度快,实用性好。同时超声波传感器不易受到天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度、裂缝等外界环境条件的影响。鉴于以上种种优点,使得超声波传感器在移动机器人的应用中具有很大的优势。2.3超声波测距原理(1超声波超声波是人耳听不见的一种机械波,其频率在20KHz以上,波长较短,绕射小,能够成为射线而具有一定的方向性来传播。超声波频率越高,就越与光波的某些特性(如反射、扩散等相似。超声波的这些特性使其在检测技术中获得广泛的应用

26、。 图2-1 声波的频率界限 图2-2 超声波检测技术应用表(2超声波测距方法超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性,而在不同媒质的界面,会产生反射现象。利用这一特性,就可以根据测量反射波与发射波之间的时间间隔,从而达到测量距离的作用。其主要有三种测量方法:1.相位检测法相位检测法虽然精度高,但检测范围有限2.声波幅值检测法声波幅值检测法易受反射波的影响3.渡越时间检测法超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差t ,然后求出就可以计算出发射点距障碍物的距离:D = C T/ 2 (2-1 这就是渡越时间法测距机理

27、。式中:D 距离;C 声波在介质中传播的速度;T 声波传输所用时间。声波在空气中传输速率为: 273/10T C C += (2-2式中:T 绝对温度;0C 331.4 m/s 。在测距精度不是很高的情况下,一般认为C 为常数340m/s 。 图表2.1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。 图2-3 声速与温度关系表用于行走机器人上的超声测距系统共有4对超声波换能器,分别装在前、后、左、右4个方向上。采用AT89C52单片机,由单片机定时向发射机发出控制信号,其脉冲宽度为0.25ms,同时启动定

28、时器。发射机产生40KHz左右的调制脉冲,经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。超声波信号在空间中传播遇到障碍物后,将反射回波。其反射波被接受机收到后,变成电信号脉冲,该信号经放大、滤波、整流、比较后,产生负脉冲触发单片机外部中断读出此时定时器值,即得出超声波在空气中传播的时间。再根据公式(2-1即可求得距离。12142.4 超声波传感器(1超声波发生器超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为

29、常用的是压电式超声波发生器。按收发方式又分两类:一类是发射和接收分别是两种不同的分体式超声波传感器,此类传感器测距有效范围比较大,但不具备防尘、防水性能,如用于发射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R 。另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器,如R/S40,不仅用于发射超声波,也用于接收超声波,此类超声波测距有效范围比较小、防尘、防水性能好,主要用于汽车倒车雷达。根据本课题的需要,收发一体式超声波传感器。4(2压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2-4所示,它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信

30、号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。 图2-4 超声波传感器结构综上所述,选择用超声波传感器来作为测量所用的传感器,用渡越时间测距法作为测量的方法是完全可行的。2.5 小结本章主要分析了自主式移动机器人的避障方式、路径规划、测距方式以及介绍、对比了几种常用的传感器,分析了超声波传感器的选择,论证了采用超声波传感器进行机器人避障测距方案的可行性。第三章系统硬件设计3.1测距电路的硬件系统 图31所示测距电路方框图为

31、了能测量不同方向的障碍物,将超声波测距系统设计为多传感器系统,如图31所示,测距系统包括超声波发送、回波信号接收处理、单片机控制几个部分。3.2 主芯片的选择由于2K字节的89C2051和4K字节的AT89C51的内存不满足软件程序的要求而选择8K字节的AT89C52作为这次设计的主芯片。AT89C52单片机是整个电路的核心部分,它是一个低电压,高性能COMS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和F

32、lash存储单元. AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线, AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如下: 图3-2 AT89C52引脚图3.3运算放大器的选用TL084是JFET输入高阻运算放大器,双列直插封装的四运放,外形如图3-3所示: 图3-3 TL084运放外形图它具有宽共模和差模范围、低失调电流(低偏置电流、低温漂和高转换速率,而且功耗较小,并

33、具有内部频率补偿和输出短路保护。图3-4是TL084开环放大增益与频率的曲线图,当f = 40kHz时,从曲线关系图中可以查到开环放大倍数86,可以满足放大电路与滤波电路的设计要求。 图3-4 TL084开环放大增益与频率的曲线图如果运放工作在线性工作区,一般都需要正负电源给运放供电,为了优化电路的设计及降低成本,此次设计采用单一电源供电,通过提升运放“虚地”电压来解决双电源供电的问题。具体工作原理是这样的: TL084的VCC+端接8V电源,VCC-端接地,运放的“虚地”端电压为4V,相对“虚地”端而言,VCC+端的电压为4V,VCC-端的电压为-4V,这样达到了正负电源供电的效果。3.4超

34、声波发送电路超声波发送电路包括超声波信号产生电路、多路选择开关电路及发送换能器等部分。超声波换能器振子频率为40 KHz,它与电路的振荡频率一致。电路由40KHz振荡电路与超声波激励电路组成,振荡电路采用74HC00中三个与非门与电容和电阻构。将信号产生电路与单片机的P1.4相连,控制发送脉冲宽度。振荡电路产生的超声波信号输出到三极管的基极,经三极放大及耦合升压后,送超声波换能器向空间发射超声波,持续发射250us。耦合管原、副边的匝数比为1: 20,当发射超声波的时候,换能器两端的Vp-p值接近100V,有效地增加了超声波换能器的发射能量。 图3-5超声波发送电路3.5超声波接收电路超声波接

35、收电路由限幅、多路电子开关、放大、滤波、整流以及比较等几部分组成。(1限幅电路当反射距离的远近程度相差很大时,超声波换能器产生的回波信号的幅度也相差甚大。为了能有效处理远距离的微弱回波信号,放大部分的总增益比较高。然而当反射距离很近时,回波信号幅度很大,如果直接传送到放大处理电路,可能使整个系统过渡饱和,因此在前端需加限幅电路。 图3-6 限幅电路(2多路电子开关因为有4路超声波信号,所以采用CD4052多路电子开关。CD4052有A0、A1两个二进制控制输入端和INH输入,当INH输入端为”1”时,所有通道截止。二位二进制输入信号选通4对通道中的一对通道,可连接该输入端至输出。CD4052的

36、INH引脚连至AT89C52的P1.3引脚, A0引脚连至AT89C52的P1.6引脚,A1引脚连至AT89C52的P1.7引脚. 图3-7 CD4052多路电子开关(3交流耦合放大电路放大电路是超声波回波信号的处理电路中关键的部分之一。为了达到3米的有效测距范围,对远处返回的微弱的回波信号必须给予足够的放大,因此整个系统的最大增益不小于1万倍。 图3-8 交流耦合放大电路上图所示的是最简单的交流放大器之一,其闭环增益为:11110/1(C R s s R R s E E F +-=直流增益为零,而高频增益接近-R F /R 1,低端的截止频率为:1121C R fc =直流输出失调电压Eos

37、 等于直流输入失调电压加上由于偏置电流流过RF 产生的直流失调电压为:F R R I Vos Eos +=(4滤波电路为了使整个系统的性能稳定,必须在中间级加有源带通滤波电路。滤波电路设计是最关键的一个环节,也是整个系统设计中最难的环节,此电路中各无源阻容参数的选取既要满足设计通带的要求,还要避免整个系统的自激振荡。 图3-9 滤波电路根据要求,现需要设计一个有源带通阻容滤波器,因此选定Y1、Y2、Y5为电阻,Y3、Y4为电容。(参考现代集成电路为了设计计算上的简化,现将图3-9的电路参数用图3-10所示的参数表示。 图3-10 多反馈环滤波器电路参照相关的计算公式,可得到简化方程组:1(21

38、0b abRC f += b b a aQ 1(1+= (3.1aCRB 1= 20aH =超声波传感器的工作频率已经选定为40kHz ,第二级增益A 2=16.5,滤波器的设计带宽为4kHz ,本次设计条件是:f 0 = 40KHz ,Q =10,H 0=16.5,电容C 的参数选定为C =1000pF 。根据以上设定的初始条件,结合方程组3.1,可以设计计算:Q f B 0=4kHz02H a = 31aCBR 1=1.96k aQ ab -=24=0.084 因此可以得到图3-10所示的元件值(经系列标准化:C =1000pF ,R1=2K ,R2=200,R5=62K 。(5运放精密整

39、流电路 图3-11 运放精密整流电路图3-11是全波精密整流电路,它是由半波整流电路和加法电路组成的。其工作原理是:1、当输入电压Vin 大于零时,运放U2A 输出为负电压,D1截至,D2导通,Vin Ea -=而运放U1A 组成加法电路,可求出VoutVin Vin Vin Ea R R Vin R R Vout =+-=-+-=2*26(*462、当输入电压Vin 小于零时,运放U2A 输出为正电压,D1导通,D2截至,R2中无电流流过,Ea=0;可以求出VoutVinVin R R Vout -=-=*46根据以上分析可知,精密整流电路就是绝对值电路,Vout = |Vin|;这样的理想

40、整流电路不用考虑二极管的压降,可以有效的检测出小信号的变化了。3.6处理串扰问题的电路由于发射与接收都是同一个传感器,发射超声波的时候,40kHz 的发射波直接经过电阻输送到接收信号处理电路,使单片机系统误认为已经接收到回波(虚拟反射波,这一现象称为“串扰问题”。“串扰问题”使单片机系统误认为已经接受到回波信号,导致系统不能正常工作,为了解决“串扰”问题,设计这样的电路。其工作原理是:在信号处理电路最后一级比较电路中,Vout 为来自精密整流的输出端。当单片机外部引脚P1.4发射40kHz 脉冲群时,单片机P1.5端保持15ms 低电平,即运放的同相输入端保持+8V 高电压,此电平高于运放反相

41、端的输入电压,可靠地保证运放输出为高电平,不会向CPU 申请中断,这样解决了“串扰”问题。但从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间,由于强制比较电路输出高电平,将引起了30cm 的测距“盲区”。 图3-12 处理串扰问题的电路3.7小结本章给出了基于AT89C52单片机设计的超声波测距原理框图,概括性地叙述了超声波发送电路以及接收电路中的限幅、多路电子开关、放大、滤波、整流以及比较等几部分。由于在设计过程中为了使系统稳定,必须对串扰问题进行解决,为此,本章还介绍了串扰处理电路的设计。第四章系统软件设计4.1 超声波测距系统的软件控制原理超声波测距系统就是用AT89C52单片机开发设计的,主

42、程序流程图如图4-1所示,中断服务程序包括内部T0中断和外部INT0、INT1中断服务程序。T0设置为40ms中断一次,其任务是每隔40ms产生4个40kHz的超声波脉冲并按顺序送到四个通道的超声换能器。T0中断服务程序流程图如图4-2所示,先禁止T0中断且EX0清零,然后通道号+1并启动T0和T1开始计数,经过短暂盲区延时后开中断。INT1中断子程序读取温度传感器的A/D 转换结果,并将相应数据换算为环境温度值t 。INT0停止T1计数,根据T1读数计算渡越时间T ,并进行距离的计算。先计算超声波在当前环境下传播速度:C =331.4273/1t ,再计算距离:D =CT/2,并将计算结果送

43、入显示缓冲区。 图4-1 主程序流程图 图4-2 T0中断子程序流程图4.2 机器人控制系统与接口机器人的机械结构分为摄像机运动控制部分、行走部分。机器人的控制系统采用分散式控制方式,如图4-3所示。 图4-3 集散式多机控制系统通信结构简图统由1个上位机和3个下位机组成,主控机完成机器人各个部分的协调控制、机器人运动策略的计算和分析,行走伺服下位机完成机器人行走伺服控制,包括机器人的行走、急停、转弯等,摄象机下位机完成摄象机的旋转运动功能,超声波测距下位机完成机器人在行走过程中对方障碍物的检测功能,以供机器人作出运动策略的分析。所有的处理器均采用AT89C52单片机,各个部分通过串口多机通信

44、来完成信息交换。上位机各下位机 图4-4 多机通信的逻辑框图控制系统中主控机的主要任务是完成对各下位机的协调控制,因此其中关键的控制任务是多机通信控制,多机通信程序首先对串行口进行初始化,在需要进行通信的时候,发送需要通信的下位机的地址,由下位机确认上位机是否确实要与自己通信,然后进行软握手,就是首先由主控机再次发送一个字符串,下位机将接收到的字符串回送到上位机,当上位机接收到的字符与发送的字符一样的时候就停止发送,否则继续发送字符,具体通信的程序框图如图4-4所示。当上位机要最新测距数据时,下位机以中断的方式向上位机发送数据。本系统在测距主程序中开串行口中断,进入中断程序后,仍采用查询方式发

45、送数据。下面给出下位机响应串行中断程序: void rec(void interrupt 4 using 2 unsigned char temp;static bit adr;if(RI RI=0;temp=SBUF;If(temp=SLAVE /*接收地址与本机相符*/ SM2=0; /*取消监听状态*/SBUF=temp; /*从机地址发回*/ adr=1; else if(adr BUF=arrtltemp; /*向上位机发送所要求的数据*/adr=0; SM2=1; /*恢复监听状态*/else adr=0; SM2=1;if(TI TI=0;4.3 小结本章分析了机器人超声波测距的

46、软件控制原理及与上位机的接口设计,由于软件部分主要由本组另一位同学完成,故只作了简单的分析。第五章 误差分析与调试5.1 误差来源分析由超声波测距原理可知,它是基于声波速度不随频率变化为基础的,利用声波行进于待测距离的时间为测量参量确定待测间距。主要误差来源有:(1声波速度变化引起的误差,这与空气的元素含量以及空气温度有关。由声波传播速度M TR C =可知,声速是与空气的分子量与M 以及空气温度T 有关。(2脉冲计数频率的稳定性是直接导致“等效标准尺”长度变化的因素。由测长误差关系式f m L m f C N m f f L /2=可得,当脉冲频率准确到10-5时,如果测量距离L 是100米

47、的话,L m =0.001米,此误差远小于超生测长误差。(3开关门的可靠性是标志超声波测距可靠性的关键,即同步门控制。也就是说,超声波发射与脉冲计数必须同步开门。所以,非同步性带来的随机误差会影响结果。5.2结果图组下面我们将通过这次设计所得的测试结果图片来说明所设计的超声波测距系统的调试过程。首先是发射波形的,如图5-1所示。 图5-1 发射波形由图可见,振荡电路在产生频率为40 KHz 的超声波信号,持续时间为250us 。振荡电路产生的超声波信号先输出到二极管的基极,再经二极管放大及变压器耦合升压后,送超声波换能器MA40A5S向空间发射超声波。发射波形与接收波形的时间间隔如图5-2所示

48、,由这幅图可说明超声波的测距原理。从这幅图可以看见,发射波形和接收波形之间是有一段间隔的,这段间隔就是振荡电路发出超声波信号到接收电路接收到反射信号的时间间隔。在启动发射电路的同时触发单片机的内部的定时器T0。利用定时器计数功能记录超声波发射的时间和收到发射波的时间。当收到回波信号后,接收电路输出端产生一个负跳变,在INT0或INT1端产生一个中断请求信号。单片机响应外部中断请求,执行外部中断服务子程序,读取时间差。 图5-2 发射波形与接受波形的时间间隔如图5-3所示是产生高波盲区的波形。这个波形表示的是为了解决“串扰”问题,从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间,由强制比较电路输出高电

49、平,而引起的30cm的测距“盲区”波形。 图5-3 产生高波盲区的波形图5.3尚存在的问题这是机器人测距系统里的一部分,它的要求是很高的,其精确度越高越好,但是由于实验室的条件问题和人工焊接问题使我们还达不到这样的要求。再有就是此测距原理本身的缺陷,超声波测距对于小范围的测距还是适用的,但对于科研领域就还有很大的欠缺了。而我们知道超声波毕竟还是波,它的传播也受温度的影响,这对于小范围的测距来说误差就很大了,而本设计里没有温度补偿处理电路,这就不可避免的一定有误差了。且本设计里用的是收发一体式超声波传感器,它的发射与接受都是同一传感器,这也难免会出现干扰信号而产生误差。还有就是设计里传感器接收到

50、的信号是非常微弱的,传感器难免会把一些外在的干扰信号当作有用信号而造成误差。即使接收到的信号是有用的,本设计里的信号处理放大电路也还应该更精确。总的来说,本设计里的测距方法用在科研领域就还有待改进,不过把它用在小玩具机器人上那还是很不错的。致谢在本次设计过程中,我得到了来自学校、院里等方面的帮助,成功的完成了自己毕业设计,达到了应有的目标。在这里特向以下单位和个人致以本人最诚挚的谢意。首先,感谢学校能够提供我们一个这样锻炼和提高自己能力的机会,使得我们在走入社会之前有了一个深刻的实践经验的体会。这次设计不但检验了自己的知识结构,证实了自己的能力,使自己在进入工作岗位之前有了一次对于工作的直观评

51、估和体会,而且使我们对自己的实践能力建立一些信心。其 大 ， 别感谢 严格 那样 论 导 督 导 师， 个设计过 感 给 ， 帮 ， 求 对学术 严谨态度， 么 ， ，都 得 们 己 认真 态度去对待， 毕业设计得 顺 耐 起 。 还 问题，帮 ， 起给 设计过 问题 学 帮 到 烦 时 ， 总 ， 得 师都 决问题。 感谢，还 关键 得到 们 宝贵建 同学们， 课题 议，谢谢你们！ 参考 1 1999 2 献 杰 .单 机 及应 M . :机械工业 ， .单 ，2002 计 机与机电 口技术M. 京:国 工业 3 谭 1996 年 . 传感器应 电 M. :电 科技大学 ， 4 赵负图 .现代传感器 5 大学 赵 ，1997 电 M. 京: M. 邮电 : ， 2000 国科学技术 .传感器技术及其应 36 6 献 7 电 张 ，1996 .传感器应 及其 口电 M. 京:科学技术 爱钧.单 机高级语 工业 ，2001 强 . C语 ，贾青. C51Windows 环境编 及应 M . 京: 8 谭 9 谢剑 ，2001 10 孙传 大学 11 设计M . 京：清华大学 计 机控 技术M. ，1999 京：国 工业 ，孙晓 等. 测控系统 ，2002 线与 声 遥控. 与设计M. 京： 京 空 苏长赞。红 邮电 .2002 年 12 纪