机器人定位的室内超声测距系统的研究

1、（硕士学位论文）机器人定位的室内超声测距系统的研究 中 文 摘 要 机器人定位的室内超声测距系统的研究 摘要 本文详细介绍了一种用于机器人定位的室内超声测距系统系统通过测量超 声波脉冲在压电超声波传感器和目标物体之间的渡越时间来测量目标物体的距 离并且通过监控环境温度和执行实时的温度补偿对超声波的传播速度进行校 正本系统可用于机器人定位并可与遥测遥控系统配合使用有较广阔的应用 前景 作者主要完成的工作包括 1 论文调研了超声波测距技术的现状和进展给出了自动测量目标物体距 离的整体设计文中就可能影响本系统测量精度的因素进行了详尽的分析并给出 了相应的解决措施 2 系统设计应用双比较器整形电路确定

2、回波前沿同时采用一个数字式 温度传感器DS18B20 实时测量环境温度以实现温度补偿从而提高超声测距 的准确度 3 系统采用软件延时的方法避开从发射传感器不经反射直接传播到接收 传感器的超声信号从而避开这一段盲区同时也通过软件设计消除硬件电路 的时间延迟 4 在硬件电路的设计中针对超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性最 大限度地提高驱动能力对回波进行多级放大同时采用温度补偿电路和双比较 器整形电路 5 在软件设计上采用了模块化程序设计思想对软件的这种处理能使软 件的结构清晰有利于软件的调试和修改 6 本文完成了硬件部分的整体电路设计和制作软件部分的程序流程及源 程序编写研制出了实验样机并对实验样

3、机进行调试实验得出了实验结果 及结论该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性最后分析 了误差产生的原因并提出了相应的改进方案 关键词超声波超声测距温度补偿双比较器整形电路 英 文 摘 要 Research on Indoor Ultrasonic Ranging System used for Robot Location ABSTRACT This paper introduces a design of indoor ultrasonic ranging system used for robot location The system determines the dista

4、nce to an object or obstacle by the measurement of a round trip time of the ultrasonic pulses between the piezoelectric ultrasonic transducer and the object or obstacle The ultrasonic propagation speed is further corrected by monitoring the ambient temperature and performing real-time temperature co

5、mpensation The system can be used for robot location It is capable of being used in combination with telemeter and telecontrol system and has extensive application prospects The main works completed by the author include 1 By the investigation of the present level and progress of the ultrasonic rang

6、ing technology this paper proposes a design for the automatic measurement of the distance to an object or obstacle The factors affecting the measurement accuracy are analyzedand the corresponding solutions are put forward 2 The design adopts the dual-comparator shaping circuits to determine the forw

7、ard edge of echo and employs a digital thermometer DS18B20 to measure the ambient temperature for realizing real-time temperature compensation thereby improves efficiently the accuracy of ultrasonic ranging 3 To avoid the blind zone in which ultrasonic waves travel from the transmitter directly to t

8、he receiver a method of software delay is adopted The delay time in the measurement circuit is also compensated by using the software 4 In the design of the hardware circuit the ultrasonic transmitting energy is imized and the signal of the ultrasonic echo is amplified by using the multi-level enlar

9、ging circuitso to minimize the affection of ultrasonic attenuation Also the dual-comparator shaping circuits and temperature compensation circuit are developed 5 During the process of making software we apply the modular design 英 文 摘 要 method dealing with the software like that not only makes the st

10、ructure of the software clearerbut also is good for adjustments and amendments of the software 6 Both the design and manufacturing of the whole hardware circuit for the measurement and control system and the flow chart and compilation of the software program have been completed An experimental proto

11、type is made out and debugged and tested The experimental results indicate that the system is provided with high accuracy and reliability in limited indoor ranging In the end the error analysis is given in this paperand the further modifications of the system are presented Keywords ultrasonic waveul

12、trasonic ranging system temperature compensation dual-comparator shaping circuits 目录 目录 第一章 绪 论 1 11 课题的提出及意义 1 com 课题的提出 1 com 课题的意义 1 12 国内外研究的概况 1 13 课题主要研究的内容2 第二章 超声测距技术综述4 21 超声及超声传感器简介4 com 超声概述4 com 超声传感器结构6 com 超声传感器的主要参数及选择9 22 定位的方法和原理 10 com 基于测距的定位方法 10 com 超声定位原理 12 23 超声测距原理与方法 13 24

13、采用双比较器整形电路的工作原理 14 25 系统主要参数考虑 15 com 传感器的指向角 15 com 测距仪的工作频率 15 com 温度对声速的影响 16 com 测量盲区 17 com 硬件电路时间延时的处理方法 18 26 本章小结 19 第三章 室内超声测距系统的硬件设计20 31 系统总体方案20 32 硬件设计21 com 系统发射电路的设计21 com 超声波接收电路的设计26 目录 com 系统控制与信号处理部分30 com 测温电路30 com LED 显示电路31 com RS-232 串口通信电路31 com 系统电源部分31 33 主要器件选择与简介32 34 本章

14、小结40 第四章 室内超声测距系统的软件设计41 41 系统软件总体设计41 com 系统软件的实现原理41 com 系统软件的模块化构建41 42 系统软件子程序设计41 com 初始化子程序41 com 测温子程序和温度补偿子程序42 com 超声波发射子程序50 com 中断处理子程序51 com 数据处理子程序53 com 显示子程序56 43 本章小结57 第五章 系统调试与结果误差分析58 51 系统调试58 52 系统实验结果59 53 系统误差分析60 54 本章小结61 第六章 结束语62 61 工作总结62 62 改进及后续工作63 致 谢64 参考文献65 发表论文67

15、插 图 清 单 插图清单 图2-1 波的反射与折射原理图5 图2-2 双压电晶片示意图7 图2-3 双压电晶片的等效电路图8 图2-4 超声传感器结构图8 图2-5 各种定位方法几何原理图 11 图2-6 定位原理图 12 图2-7 超声测距原理图 13 图2-8 双比较器整形电路工作原理图 15 图2-9 传感器回波测距原理分析图 17 图3-1 系统总体方案20 图3-2 系统实物图21 图3-3 555 时基电路构成的超声波发射电路22 图3-4 与非门构成的功率驱动电路22 图3-5 三级管构成的H 桥推挽功率驱动电路23 图3-6 场效应管构成的半桥推挽功率驱动电路23 图3-7 场

16、效应管与电感构成的功率驱动电路24 图3-8 功率驱动芯片构成的超声波发射电路24 图3-9 单片机信号波形与传感器一个引脚的信号波形25 图3-10 传感器一个引脚的信号波形和另外一个引脚的信号波形25 图3-11 信号放大电路26 图3-12 带通滤波电路27 图3-13 单片机产生的信号和距离0520m 处放大滤波后信号波形27 图3-14 信号检波电路28 图3-15 距离0520m 处放大滤波后信号与检波之后的信号波形28 图3-16 双比较器整形电路29 图3-17 检波后的信号和经过其中一个比较器后的信号波形29 图3-18 系统控制与信号处理电路30 图3-19 测温电路30

17、插 图 清 单 图3-20 LED 显示电路31 图3-21 串口通信电路31 图3-22 系统电源电路32 图3-23 AT89S51 单片机结构框图37 图3-24 AT89S51 引脚图37 图4-1 系统主程序实现流程图42 图4-2 测温子程序流程图43 图4-3 INT0 中断服务子程序和定时器中断处理子程序流程图52 表 格 清 单 表格清单 表2-1 传感器特性参数表 10 表3-1 AT89S51 引脚定义38 表3-2 TMOD 格式表39 表3-3 TCON 格式表39 表4-1 温度与声速的二维关系表47 表5-1 环境温度为20 时的测距实验结果60 第一章 绪论 第

18、一章 绪 论 11 课题的提出及意义 com 课题的提出 测距的原理和方法有很多根据其信息载体的不同可归纳为光学方法无线 电方法和超声波方法前两者在某些地方有局限性而且造价偏高不利于广泛 1 的普及应用相比之下超声波方法 具有突出的优点首先超声波对色彩 光照度不敏感可适用于识别透明半透明及漫反射差的物体如玻璃抛光体 其次超声波对外界光线和电磁场不敏感可用于黑暗有灰尘或烟雾电磁干 扰强有毒等恶劣环境中再次超声波的传播速度仅为光波的百万分之一并且 指向性强能量消耗缓慢因此可以直接测量较近目标的距离最后超声波传 感器结构简单体积小费用低信息处理简单可靠易于小型化与集成化并 且可以进行实时控制 2 超

19、声波测距 作为一种非接触测量方法是利用超声波在被测物体和超声波 探头之间的传输来测量距离的利用其可测范围宽不受光线和被测物体颜色的 影响等优点已广泛用于工业检测勘探汽车测距及安全防范等领域但由 于超声波传播时声波回波难于精确捕捉温度对声速的影响等原因使得超声波 测距的准确度受到了很大的影响限制了超声测距系统在测量准确度要求更高的 场合下的应用 com 课题的意义 近年来室内机器人与室内监控已受到越来越多的关注因此对室内短距 离精确测量和定位的超声系统的研究也成为一个热点通过该课题的研究可以 对于测量精度要求较高的场合如室内短距离的精确测量和超声波定位系统油 库水箱的液面的精确测量和物位等的精确

20、测量都有实质的意义实际制作的超 声测距系统样机稳定可靠测量精度得到了有效的提高 12 国内外研究的概况 3 随着超声波技术 研究的不断深入再加上其具有的高精度无损非接触 等优点超声波的应用变得越来越普及目前已经广泛地应用在机械制造电子 冶金航海宇航石油化工交通等工业领域此外在材料科学医学生物 1 机器人定位的室内超声测距系统的研究 科学等领域中也占据重要地位 国外在超声波传感器应用和进展方面做了大量的研究Carullo等人介绍了一 种自适应系统采用特殊的发射波形来获得好的回波包络同时采用对环境的噪 声进行估测设置一定的回波开门电平且采用自动增益的控制放大器通过这 些措施来提高超声波的探测精度K

21、imiyuki Mitsui Makoto Koike和Hidehiko Tsukamoto提出了一种基于像散焦点差探测理论的一种新的超声传感器在研究 这种传感器中作者作了一个假设即薄透镜理论也适用于物镜和柱面透镜这种 假设是有效的因为射线光学是基于Snell法则而Snell法则也适用于超声波 Hua Hong和Wang Yongtian阐述了他们所研制的一种调幅连续超声波大范围动态 测距系统测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波基于接收 信号与发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系用相位差法测量传感 器之间的动态距离JF Figneroa和JS Lamancusa提出一种新

22、的计时方法该方 法的原理是回波时延由峰值时延和相位时延相加而得分别用不同的检测方法得 到峰值时延和相位时延相加后即得回波的传播时间 国内的一些学者也作了相关的研究中国科学院上海声学所的王润田运用了 一种双频超声波测距的原理和方法并介绍了在一个较长的范围内为达到测距的 精度在测距时同时发射两个频率的超声波频率较大的测较近的距离频率较 小的测较远的距离这样可实现在较大的范围内实现较高的测距精度厦门大学 童峰运用了一种高精度的超声测距信号处理方法并根据理论分析与实验结果 给出了一种基于归一化包络曲线的抗起伏信号处理方法通过这种方法处理后超 声波的传播时间的精度得到了极大的提高 从国内外研究状况可以看

23、出影响超声波测距精度的因素是测量的超声波传 输时间和超声波在介质中的传播速度国内外的研究成果使得超声波测距的精度 得到了提高这些处理方法都得到了很好的效果 13 课题主要研究的内容 本文在理论方面对引起超声测距误差的原因进行了深入分析同时对超声测 距实际方案也做了深入调研运用了同时采用实时环境温度补偿和双比较器整形 电路确定回波前沿并且考虑到单片机内部定时器测量超声回波渡越时间计时精 度的要求采用更高频率的单片机的晶振频率以提高测定超声回波渡越时间的准 2 第一章 绪论 确度从而提高测量距离的精度在此基础上开发出以 AT89S51 单片机为核 心采用 40kHz 压电超声传感器的用于机器人定位

24、的室内超声测距系统该系 统具有电路简单集成度高体积小功耗低测量精度及灵敏度高测量距离 广4cm 到5m 并且价格低廉开发周期短调试方便等优点适合非接触测 距的广泛应用 3 第二章 超声测距技术综述 第二章 超声测距技术综述 21 超声及超声传感器简介 com 超声概述 一超声波及其波形 我们生活的世界充满了各种可听的声信号在科学史上人们很久以前对声 音信号就有了认识声学是最早发展的学科之一我国两千多年前的先秦时期 在乐律和乐器的研究方面对声学的发展做出了重要的贡献在国外19 世纪 声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平然而由于超声是人耳听 不到的信号直到20 世纪人们在研究蝙蝠海豚等

25、动物时才推测自然界中 存在超声 人们可听到的声音频率为20Hz20kHz 即为可听声波超出此频率范围的 声音即20Hz 以下的声音称为次声波频率高于人类听觉上限频率 约20kHz 的声波称为超声波或称超声声波的频率越高越与光学的某些特性如发射 定律折射定律相似 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同声波的波形也不 同一般有以下几种 1纵波 介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波称为纵波当介质质点受 到周期性压应力的作用时质点之间产生相应的伸缩形变从而形成纵波此时 介质质点疏密相间故纵波又称为压缩波或疏密波凡是能承受拉伸或者压缩应 力的介质都能传播纵波固体液体和气体都能传播纵波 2

26、 横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波当介质受 到交变的剪切力作用时产生切变形变从而形成横波只有固体介质才能承受 剪切应力液体和气体都不能承受剪切应力因此横波只能在固体介质中传播 而不能在液体和气体介质中传播 3 表面波 当介质表面受到交变的应力作用时产生沿介质表面传播的波称为表面波 4 机器人定位的室内超声测距系统的研究 表面波在介质表面传播时介质表面质点作椭圆运动椭圆长轴垂直于波的传播 方向短轴平行于波的传播方向椭圆运动可以看作纵向振动与横向振动的合成 即纵波与横波的合成但传播距离超过波长的两倍时质点的振幅已经很小 4 兰姆波 在板厚与波长相当的弹性介质中传播的波称

27、为兰姆波又称为板波 二反射与折射 当声波从一种介质传播到另一种介质时在两介质的分界面上一部分能量 反射回原介质的波称为反射波另一部分则透过分界面在另一介质能继续传播 的波称为折射波如图2-1 所示 反射波 入射波 第一介质 介质分界面 Z 1 Z 2 第二介质 折射波 图2-1 波的反射与折射原理图 其反射与折射满足如下规律 1反射定律 入射角 的正弦与反射角 的正弦之比等于波束之比当入射波和反射 波的波形一样时波速一样入射角 即等于反射角 2 折射定律 入射角 的正弦与折射角 的正弦之比等于入射波中介质的波速 与折射 v1 波中介质的波速 之比即 v 2 sin v 1 2-1 sin v2

28、 3 反射系数 当声波从一种介质向另一种介质传播时因为两种介质的密度不同和声速在 I 其中传播的速度不同在分界面上声波会产生反射和折射反射声强 与入射 R I R 声强 之比称为反射系数反射系数 的大小为 0 5 第二章 超声测距技术综述 I Z cosZ cos2 R R 2 1 2-2 I Z cosZ cos 0 2 1 式中 为反射声强 为入射声强 为第一介质的声阻抗 为第二 I I Z Z R 0 1 2 介质的声阻抗 在声波垂直入射时 0 上式可化简为 Z Z 2 R Z2 Z1 2-3 2 1 若声波从水中传播到空气在常温下它们的声阻抗约为 6 Z 144 10 1 2 代入上式

29、则得 这说明当声波从液体或固体传播到气体 Z 4 10 R 0999 2 或相反的情况下由于两种介质的声阻抗相差悬殊声波几乎全部被反射 三声波的衰减 声波在介质中传播时会被吸收而衰减气体吸收最强而衰减最大液体其次 固体吸收最小而衰减最小因此对于给定强度的声波在气体中传播的距离会明 显比在液体和固体中传播的距离短另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声 波的频率有关频率越高声波的衰减也越大因此超声波比其他声波在传播时 的衰减更明显 -3 衰减的大小用衰减系数 表示其单位为dBm 通常用10 dBmm 表示 在一般探测频率上材料的衰减系数在一到几百dBmm 之间如水衰减系数 为 -3 1 4 10

30、dBmm 假如 为1 dBmm则声波传播1mm 距离时衰减为 10 4 穿透20mm 距离时衰减为90 com 超声传感器结构 超声波为直线传播方式频率越高绕射能力越弱但反射能力越强为此 利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器它是一种将其他形式的能转变为 所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件目前常用 的超声传感器有两大类即电声型与流体动力型电声型主要有1压电传感 器2 磁致伸缩传感器3 静电传感器流体动力型中包括有气体与液体两种 类型的哨笛由于工作频率与应用目的不同超声传感器的结构形式是多种多样 的并且名称也有不同例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探 5

31、头而工业中采用的流体动力型传感器称为 哨或 笛 6 机器人定位的室内超声测距系统的研究 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种探头由压电晶片楔块接头 等组成是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件是超 声波检测装置的重要组成部分压电材料分为晶体和压电陶瓷两类属于晶体的 如石英妮酸锂等属于压电陶瓷的有锆钛酸铅钦酸钡等其具有下列的特性 把这种材料置于电场之中它就产生一定的应变相反对这种材料施以外力 则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场所以只要对这种材料加 以交变电场它就会产生交变的应变从而产生超声振动因此用这种材料可 以制成超声传感器 传感器的主要组成部分是压电晶片当压电

32、晶片受到发射电脉冲激励后产生 振动即可发射声波脉冲是逆压电效应当超声波作用于晶片时晶片受迫振 动引起的形变可转换成相应的电信号是正压电效应前者用于超声波的发射 后者即为超声波的接收超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成这种超声 传感器需要的压电材料较少价格低廉且非常适用于气体和液体介质中在压 电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时根据压电效应就会使压电陶 瓷晶片产生机械变形这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的 f 大小和方向成正比的也就是说在压电陶瓷晶片上加有频率为 交流电压它 0 就会产生同频率的机械振动这种机械振动推动空气等媒介便会发出超声波 如果在压电陶瓷晶片上有超声机

33、械波作用这将会使其产生机械变形这种机械 变形是与超声机械波一致的机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相 6 同的电信号 A 压电晶片 B 图2-2 双压电晶片示意图 双压电晶片如图2-2 所示当在A B 间施加交流电压时若A 片的电场方 向与极化方向相同则下面的方向相反因此上下一伸一缩形成超声波振动 7 第二章 超声测距技术综述 Cm A C0 R Lm B Rm 图2-3 双压电晶片的等效电路图 R 双压电晶片的等效电路如图2-3 所示 为静电电容 为陶瓷材料介电损 C 0 C L R 耗并联电阻 和 为机械共振回路的电容和电感 为损耗串联电阻压 m m m f 电陶瓷晶片有一个固定的

34、谐振频率即中心频率 发射超声波时加在其上 0 面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致这样超声传感器才有较高的 灵敏度当所用压电材料不变时改变压电陶瓷晶片的几何尺寸就可非常方便 的改变其固有谐振频率利用这一特性可制成各种频率的超声传感器 盒体 喇叭形谐振器 金属片 压电陶瓷 底座 引线端子 图2-4 超声传感器结构图 7 超声波传感器的结构如图2-4 所示 它采用双晶振子即把双压电陶瓷片 以相反极化方向粘在一起在长度方向上一片伸长另一片就缩短在双晶振子 的两面涂敷薄膜电极其上面用引线通过金属片 振动板接到一个引线端子 下面用引线直接接到另一个引线端子双晶振子为正方形正方形的左右两边由 圆弧形凸起部分支撑着这两处的支点就成为振子振动的节点金属片的中心有 喇叭形谐振器发送超声波时喇叭形谐振器有较强的方向性因而能高效率地 发送超声波接收超声波时超声波的振动集中于谐振器的中心所以能产生高 效率的高频电压 8 机器人定位的室内超声测距系统的研究 com 超声传感器的主要参数及选择 一主要参数 1中心频率 中心频率