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文档简介
超声波传感器在农业环境中的应用
0超声波传感器的应用超声传感器是从接口噪声转换为声音信号,或从外部噪声场中的声音信号转换为信号能量转换装置,并根据超声波传播时间获取距离信息。超声波被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。在国内外研究中和应用中,超声波传感器多用于移动机器人的避障,对环境精确探测的研究甚少。在农业领域中,采用超声波传感器测距受到许多因素影响,测距的结果和实际往往有较大差距。农业中广泛采用视觉传感和超声波传感器采集外界信息,如拖拉机倒车时的测障或监控,喷药机的果树外形检测等。视觉传感器信息大,需要大量数据处理,一方面需要高性能的处理器,还需要合理的算法,不然无法满足实际需求。相对于视觉传感,超声波传感器采集信息速度快,在不需要大量外界信息的条件下,拥有成本低、体积小、结构简单等无法比拟的优点。由于农业环境的复杂性,实际工作中的被测物体超声波传感器的测距很难达到标定的精度,而超声波传感器测量的准确度和快速反应将直接影响到系统的良好运行,需要对超声波传感器测距展开系统的实验和研究。1嵌入式控制系统实验平台主要由精密滑台、步进电机、步进电机控制器、超声波传感器、支架、嵌入式控制系统,以及上位机等构成,系统结构示意图如图1。精密滑台作为运动部分,它的滑块可沿着导轨移动。在实验中把支架的下端固定在滑台的滑块上,上端用来固定传感器,传感器就可以随着沿导轨移动。支架的上端可以调节传感器的高度,以避开传感器测量的盲区。控制系统通过驱动器控制步进电机,从而控制滑台的动作。步进电机驱动器采用MMT—472,通过面板右侧的拨动开关可以调节驱动信号的细分,从而精确地控制步进电机平稳可靠的运行。平台使用了美国Honeywell三种不同型号的超声波传感器:946—A4V—2D—2C0—175E,波束角为5°,传感器测量范围为200~2000mm;943—F4Y—2D—1D0—180E,波束角为8°,传感器测量范围为200~2000mm,941—C2V—2E—1C0,波束角为10°,传感器测量范围为200~1500mm。5°与8°的传感器既可以输出电压信号,也可以输出电流信号,10°的传感器输出模拟电压信号。嵌入式控制系统主要采用单片机开发,其主要功能是接受上位机子令,控制滑台的运动,采集超声波传感器信息并上传信息。系统软件主要由两部分组成:一是运动控制部分,控制系统根据用户指定的步长,计算采样点的距离,发出对应动作的指令,输出相应的脉冲,并记录脉冲数,以确定传感器的位置;二是数据采集部分,控制滑块达到设定的采样点,经过一定的延时后,控制器产生数据采集中断,进入中断后,数据采集单元采集来自传感器的数据,然后将该采样点的位置信息和该点采集的数据一起上传给计算机。控制滑台的运动和停止以及数据的记录功能等都在控制计算机上完成,采用C#编写上位机软件,实施监测和控制滑台的运动以及状态,并实时显示传感器所处的位置,并将传感器采集的数据实时显示,并保存到数据库。2超声波传感器实验2.1超声波传感器测试结果本实验选取5个参考点做校准,先测出这5个参考点与传感器之间的实际距离,再通过实验平台读出超声波反映的距离数值。对于波束角为5°的超声波传感器,实际测量距离为[200016301270918550]mm,超声波实验平台感知的数字量为[1110948785624462];对波束角为8°的超声波传感器,实际距离和反应数据分别为[203016201200800402]mm和[1115953787625460];对波束角为10°的超声波传感器,两组数据分别为[17801372956537128]mm和[1123965802637474]。将数据进行拟合,可以得到三条拟合曲线,也是实验数据的对应转换线,如图2所示。后续实验测得的数据以此为基准线,每次实验测得的数字量经过换算,就可以得到超声波传感器测得的距离值。2.2测量实验和数据处理本实验采用木板构造斜面,木板长117cm,宽21cm,厚2cm。木板的一侧采用活页与地板相连,该侧相对于导轨的位置固定不变,但整个木板可以绕该点上下旋转,木板的另一侧可以使用垫片依次抬高在该点的高度,从而改变斜面的坡度。控制系统通过驱动器可以随时控制步进电机的启动、停止以及正反转,通过控制脉冲的频率来控制运行速度。步进电机驱动器设定驱动电流2.0A,设定细分数为1/16,使得控制精度为0.2mm,可以十分精确地带动传感器到达采样点的位置。在实验中,考虑到超声波传感器的波束角效应,超声波传感器发出的一束超声波,呈现一个面,而不是一个点,没有必要设定过密的采样点。设定采样点的间距为5cm,一共400个采样点,滑台运行有效区间为2m,对斜面的有效的检测范围在1.5m以内。在每次实验之前,先调节木板呈现一个角度,然后调节超声波传感器的位置,使得超声波发射头沿着铅垂线方向。在测好角度和调节好传感器之后,打开控制系统,进行超声波测量实验。通过上位机发送指令,控制系统控制步进电机运转从而控制滑块的移动,传感器也从斜面的这一端运动到另一端,每运行5cm采集一次距离信息。这样在扫描了整个斜面后,得到该实际角度下超声波传感器所测得的一组数据,每组实验测量10次,并将所得的数据上传到计算机,保存在新建的数据库中。在后续实验中将波束角为5°的超声波传感器更换8°和12°的传感器,每次实验根据5°的超声波传感器的实验,保证每组实验角度与前面的一致,重复前面的实验步骤。2.3超声波传感器测量原理与超声波斜面检测实验类似,所不同的是将横截面半径不一样的圆柱体置于超声波传感器下测量,并调节了步进电机控制器的细分,使控制步进电机的精度更高,降低了传感器的运动速度,使得运行更加平稳。3实验数据分析和处理3.1超声波传感器检测首先算出实验中10个数据的平均值,再算出各个数据与平均值的偏差,找到与平均值偏差最大的,舍去该数据,如式(1)再算出剩余数据平均值,重复上述过程,如式(2)这样就能舍掉偏差较大的若干点,从而取出最接近的的几个点,取其平均值作为该点超声波传感器测得的数据。将400个点处理完后,以此勾勒出该组实验条件的一条测量曲线。由于在运动过程中,特别是启动和停止的时间段内,超声波传感器会有明显的震动,这样造成了数据上的一些跳变,在曲线上表现为导数的突变,这样会影响数据的测量精度,这些点就需要除去。这里采用牛顿插值替代这些被去掉的点。这样,经过数据处理后,使用Matlab重新进行曲线拟合,图3为波束角为8°的超声波传感器对斜面的检测图。在检测弧形面的实验中,使用了波束角分别为5°,8°两种传感器。考虑到圆柱体表面的变化,超声波可能存在的镜面反射和在各面之间的多次反射,实验过程中降低了滑台移动的速度,并增加了实验次数,数据的处理类似,最后拟合了曲线,如图4。3.2超声波传感器检测斜面的测量超声波传感器首先发射一组声波脉冲信号,内部积分器就开始计时,同时传感器会设定一个返回信号阈值,这样可以在接收到达到阈值的回波信号后停止计时。这个阈值随着时间的增加而减小,因为回波会随着距离的变大而发散,强度越来越小。超声波在碰到检测面后,会有不同的反射波,甚至多次反射波。当传感器与检测面呈一定角度(非垂直)时,如果从最近点反射回来的波达到此时的信号阈值,传感器测量的就是传感器与最近点之间距离,那么测量的距离就会小于实际距离。如果反射波的强度达不到此时的信号阈值,反射波不会被传感器接收,超声波传感器不会停止计时,这样会使测量的数据大于实际距离。当被测面的角度达到一定的度数,大部分的反射波无法被传感器所接收。传感器有时能接收回波,感知一定的距离;有时接收不到,感知最远距离(传感器的最大量程),在曲线上表现为剧烈的振动,超声波传感器已经无法准确地感知实际距离,用测得的数据无法形成一个斜面。如图3所示,波束角5°的超声波传感器在距离斜面尚有100mm时,超声波传感器会预先感知坡度的来临,如图3所示,在水平位置约为420mm的位置,超声波检测出这里是斜面与水平面的拐点,而实际上538mm处才是拐点。超声波传感器在过了斜面的最高点后,传感器并不是马上感知出其与底面的距离,而是在经过约120mm后才感知出与水平面的实际高度。实验中不断增加斜面的坡度,随着坡度慢慢增大,超声波传感器测得的数据已经无法感知出测得的斜面,超声波传感器可以有效测量的最大角度为传感器检测斜面的临界角。表1为实验测得的不同类型传感器可以检测斜面的临界角。在同一超声波传感器下,选取的木板的中间任意10个点的点做误差分析。选用波束角为8°的传感器的实验数据,以X坐标为1200mm的采样点为分析对象,作表2。实际距离是超声波传感器发射头沿地球引力方向到斜面的距离,最近距离是该点垂直于斜面方向的最近距离。误差1是传感器测量值与实际距离的偏差,误差2是传感器测量值与最近距离偏差。由表2可知,同一超声波传感器与被测平面呈不同的角度时,超声波传感器随着被测面的角度的增大,误差也越来越大。传感器的感知距离的距离普遍偏小,沿铅垂方向的实际距离与传感器的感知距离之间的偏差比较大,且斜面呈现的角度越大,偏差越大,而与最近的距离的偏差比较小,且对斜面的角度的变化敏感。可以用最近距离加以误差补偿,获得相对精确的数字量。根据传感器的测量的数据,取出斜坡段的数据,拟合出最佳曲线,求得曲线的斜率,再利用斜率求出角度。选取了在斜面呈现2°,4.5°和7.6°时,将不同传感器之间作对比,如表3。由表3可知,波束角较小的传感器其误差也较小,波束角为5°的传感器所感知的斜面角度与实际最为接近。当斜面的角度较小时,所有的传感器的误差均较小,随着角度的增大,误差有明显增大的趋势。超声波传感器在校准后,测量过程中的误差,只能通过软件补偿。对斜面的测量中,误差补偿可以取误差最小的点,统一补偿以固
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