机器人定位的室内超声测距系统的研究.pdf

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 locationThe system determines the distance 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 obstacleThe ultrasonic propagation speed is further corrected by monitoring the ambient temperature and performing real-time temperature compensation 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 ranging technology，this paper proposes a design for the automatic measurement of the distance to an object or obstacleThe factors affecting the measurement accuracy are analyzed，and the corresponding solutions are put forward 2. The design adopts the dual-comparator shaping circuits to determine the forward 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 the receiver，a method of software delay is adoptedThe 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 maximized and the signal of the ultrasonic echo is amplified by using the multi-level enlarging circuit，so to minimize the affection of ultrasonic attenuationAlso，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 structure of the software clearer，but 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 prototype is made out， and debugged and testedThe experimental results indicate that the system is provided with high accuracy and reliability in limited indoor rangingIn the end，the error analysis is given in this paper，and the further modifications of the system are presented Keywords：ultrasonic wave，ultrasonic ranging system，temperature compensation， dual-comparator shaping circuits 目 录 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 课题的提出及意义 1 1.1.1 课题的提出 1 1.1.2 课题的意义 1 1.2 国内外研究的概况 1 1.3 课题主要研究的内容 2 第二章 超声测距技术综述 4 2.1 超声及超声传感器简介 4 2.1.1 超声概述 4 2.1.2 超声传感器结构 6 2.1.3 超声传感器的主要参数及选择 9 2.2 定位的方法和原理 10 2.2.1 基于测距的定位方法 10 2.2.2 超声定位原理 12 2.3 超声测距原理与方法 13 2.4 采用双比较器整形电路的工作原理 14 2.5 系统主要参数考虑 15 2.5.1 传感器的指向角 15 2.5.2 测距仪的工作频率 15 2.5.3 温度对声速的影响 16 2.5.4 测量盲区 17 2.5.5 硬件电路时间延时的处理方法 18 2.6 本章小结 19 第三章 室内超声测距系统的硬件设计 20 3.1 系统总体方案 20 3.2 硬件设计 21 3.2.1 系统发射电路的设计 21 3.2.2 超声波接收电路的设计 26 目 录 3.2.3 系统控制与信号处理部分 30 3.2.4 测温电路 30 3.2.5 LED 显示电路 . 31 3.2.6 RS-232 串口通信电路 31 3.2.7 系统电源部分 31 3.3 主要器件选择与简介 32 3.4 本章小结 40 第四章 室内超声测距系统的软件设计 41 4.1 系统软件总体设计 41 4.1.1 系统软件的实现原理 41 4.1.2 系统软件的模块化构建 41 4.2 系统软件子程序设计 41 4.2.1 初始化子程序 41 4.2.2 测温子程序和温度补偿子程序 42 4.2.3 超声波发射子程序 50 4.2.4 中断处理子程序 51 4.2.5 数据处理子程序 53 4.2.6 显示子程序 56 4.3 本章小结 57 第五章 系统调试与结果误差分析 58 5.1 系统调试 58 5.2 系统实验结果 59 5.3 系统误差分析 60 5.4 本章小结 61 第六章 结束语 62 6.1 工作总结 62 6.2 改进及后续工作 63 致 谢 64 参考文献 65 发表论文 67 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 0.520m 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 0.520m 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 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 1 第一章 绪 论 1.1 课题的提出及意义 1.1.1 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 的普及应用，相比之下，超声波方法1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。 超声波测距2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。 1.1.2 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。 1.2 国内外研究的概况 随着超声波技术3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 机器人定位的室内超声测距系统的研究 2 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。Kimiyuki 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。J.F. Figneroa和J.S. Lamancusa提出一种新的计时方法，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。 1.3 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 第一章 绪论 3 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。 第二章 超声测距技术综述 4 第二章 超声测距技术综述 2.1 超声及超声传感器简介 2.1.1 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。 机器人定位的室内超声测距系统的研究 5 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。 1Z 2Z 折射波折射波 入射波入射波 第一介质第一介质 介质分界面介质分界面 第二介质第二介质 反射波反射波 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 1 v与折射 波中介质的波速 2 v之比，即： 2 1 sin sin v v （2-1） 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 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 R I与入射 声强 0 I之比，称为反射系数，反射系数R的大小为： 第二章 超声测距技术综述 6 2 12 12 0 coscos coscos ZZ ZZ I I R R （2-2） 式中： R I为反射声强； 0 I为入射声强； 1 Z为第一介质的声阻抗； 2 Z为第二 介质的声阻抗。 在声波垂直入射时，0，上式可化简为： 2 12 12 ZZ ZZ R （2-3） 若声波从水中传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为 6 1 1044. 1Z， 2 2 104Z， 代入上式则得0.999R 。 这说明当声波从液体或固体传播到气体， 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。 衰减的大小用衰减系数表示，其单位为 dB/m，通常用 10-3dB/mm 表示。 在一般探测频率上， 材料的衰减系数在一到几百 dB/mm 之间， 如水衰减系数为 -3 1041dB/mm。假如为 1 dB/mm，则声波传播 1mm 距离时，衰减为 10； 穿透 20mm 距离时，衰减为 904。 2.1.2 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 头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”5。 机器人定位的室内超声测距系统的研究 7 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 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 0 f交流电压，它 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 同的电信号6。 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。 A B 压电晶片 第二章 超声测距技术综述 8 图 2-3 双压电晶片的等效电路图 双压电晶片的等效电路如图 2-3 所示， 0 C为静电电容，R为陶瓷材料介电损 耗并联电阻， m C和 m L为机械共振回路的电容和电感， m R为损耗串联电阻。压 电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 0 f。发射超声波时，加在其上 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。 图 2-4 超声传感器结构图 超声波传感器的结构如图 2-4 所示7，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。 A B C0 R Cm Lm Rm 盒体 喇叭形谐振器 金属片 底座 引线端子 压电陶瓷 机器人定位的室内超声测距系统的研究 9 2.1.3 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，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶 片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率越高，测距越 短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有 30kHz、40kHz、75kHz、 200kHz、400kHz 等。 2灵敏度 灵敏度的单位是分贝(dB)，它主要取决于晶片材料及制造工艺。 3指向角 指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般 为几度至几十度。 4工作温度 工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围， 其温度上限应远于居里点温 度。以石英晶片为例，当温度达到+290时，灵敏度可降低 6。一旦达到居里 温度点(+573)，就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小， 工作温度不高，在-20+70温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感 器温度较高，必须采取冷却降温措施8。 二、超声传感器的选择 超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头（接收纵波） 、斜探头（接收 横波） 、表面波探头（接收表面波） 、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超 声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封防水型等多种产品。一般电子 市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。 其中收发一 体式就是发送器和接收器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接收超声波； 收发分体式是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。 在超声波测量系统中， 频率取得较低， 外界的杂音干扰较多； 频率取得较高， 在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是 40kHz 的收发分体式超声传感器，由一只发射传感器 UCMT40K1 和一只接收 传感器 UCMR40K1 组成，其特性参数如表 2-1 所示。 第二章 超声测距技术综述 10 表 2-1 传感器特性参数表 型号 UCMT40K1 UCMR40K1 结构 开放式 开放式 使用方式 发射 接收 中心频率 401kHz 401kHz 频带宽 20.5kHz 20.5kHz 灵敏度 110dBV/ubar 65dBV/ubar 声压 115dBmin(0dB=0.02mPa) 70dBmin(0dB=1V/ubar) 指向角 75o 80o 容量 250025pF 250025pF 最低使用温度 20 20 最高使用温度 60 60 最大输入电压 40Vp-p 40Vp-p 2.2 定位的方法和原理 2.2.1 基于测距的定位方法 目前的定位方法从定位手段上可以分为两大类，基于测距(Range-based)方法 和无需测距(Range-free)方法。基于测距方法通过测量节点间的距离或角度信息， 使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位法计算节点位置；无需测距定位方 法则不需要距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。由于机器人定位往 往在室内环境，所以采用超声波进行室内定位，并且采用基于测距技术的定位。 Range-based定位常用的测距技术，根据所检测的特征测量值的不同，有：RSSI、 TOA、TDOA和AOA。 1. RSSI（接收信号强度指示器）定位技术 该算法是根据己知的信号发送功率和RSSI(Received Signal Strength Indicator) 测得的接收信号场强值， 计算信号的有效传播损耗， 再利用该损耗值来估算距离， 根据三个或三个以上距离值就可确定目标点的位置。 但是该方法最大的缺点是对 环境变化敏感，而且定位精度较差，主要是由于信号传输过程中的多径效应和通 过障碍时产生的阴影效应导致的，所以不太适合于室内高精度定位。 2. TOA（到达时间）定位技术 根据已知的信号传播速度和测量的信号传播时间，也可实现定位。这类方法 机器人定位的室内超声测距系统的研究 11 又分为TOA(Time of Arrival)定位和TDOA(Time Difference of Arrival)定位。 TOA定位， 就是测量出两个 （或多个） 参考点与目标点之间的信号传播时间， 从而分别得出目标点与各参考点之间的估计距离，以各参考点位置为圆心，相应 的与目标点间的距离为半径画圆，可以得到两个（或多个）圆，这些圆的交点从 理论上讲就应该是目标点在二维平面上的位置。其几何原理如图2-5(a)所示，图 中， 1 B， 2 B， 3 B分别表示参考点1，2，3。 1 r， 2 r， 3 r分别表示参考点到目标点 间的估计距离。交点X就代表目标点的估计距离。若有多个交点的情况，可采 用辅助方法去模糊。 图 2-5 各种定位方法几何原理图 3. TDOA（到达时间差）定位技术 TDOA定位，则是测量不同参考点接收到同一目标点的定位信号的时间差， 由此计算出目标点到不同参考点的距离差。 目标点到任何两个参考点的距离差d 为定值，目标点必定位于以两个参考点为焦点的双曲线方程上，确定目标点的二 维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程， 两双曲线的交点即为目标点的二维位 置坐标，如图2-5(b)所示。当对用户进行三维定位时，需要同时有N个参考点参 与测距时(3N)，多个双曲面之间的交汇区域就是对用户位置的估计。当然， 这种方法也可能存在去模糊的问题。 基于传播时间测量的定位方法，是目前主要的研究采用的定位方法。 第二章 超声测距技术综述 12 4. AOA（到达角度）定位技术 AOA(Angles of Arrival)的估计问题属于定位课题中的定向领域，通过参考点 接收器天线阵列测出目标点发射的AOA，形成一根从参考点到目标点的径向连 线，即方向线。由2个参考点得到的2个方向线的交点就是目标点的位置，如图 2-5(c)所示。因此，AOA算法只需要2个参考点就可以确定位置，而2条直线只有 一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象。 此外，还有一种混合定位方法，它就是在一个系统中，采用了上述两种或多 种单一的定位方法的某种组合进行定位。如TDOATOA、TDOAAOA、TOA AOA等。目前，混合定位方法也成为定位研究的新的趋势。 上述各种定位方法都有其自身的特点。TDOA和TOA定位法实现相对容易， 也能达到较高精度，因此这两种方法受到了更多的重视；AOA定位方法虽然要 求在阵列天线上实现，但目前对智能天线投入了大量研究工作，因此AOA定位 方法也将成为必然趋势，并且其定位精度也较高；而混合定位方法能吸收不同定 位方法的优点，但需要提供不同的特征测量值9。 2.2.2 超声定位原理 图 2-6 定位原理图 基于上述的各种定位方法的特点和室内机器人定位的特点， 采用以下定位方 法。首先在室内空间建立坐标系，选定三个参考点1、2、3，设待定位的目标点 为M，它们的空间坐标如图2-6所示，其中参考点坐标已知，目标点坐标未知。 Z l 点 3)0 , 0(y 点 2)0 , 0 ,(x 点 1)0 , 0 , 0( ),(ZYXM m n Y X 机器人定位的室内超声测距系统的研究 13 三个参考点选在同一参考平面上，可选室内地板作为此参考平面。其中点1定为 整个室内空间坐标系的原点，分别与点2、点3构成X轴、Y轴。确定需要定位的 目标点后， 使用系统硬件手段和软件程序测出目标点和三个参考点的距离l、m、 n，算出目标点的坐标值。式中变量如图2-6所示。 空间中任意一点),(ZYXM到三个确定点)0 , 0 , 0( 1、)0 , 0 ,(2 x、)0 , 0( 3y的距 离分别为l、m、n，则有： 2222 2222 2222 )( )( nZyYX mZYxX lZYX （2-4） 由上式经过推导可以得到M点的坐标为： 222 222 222 2 2 YXlZ y nly Y x mlx X （2-5） 因此，可知测出l、m、n即可得到点),(ZYXM，从而对一点M的3D定位 问题就转化为对该点空间位置固定的三点1、2、3的测距问题。下面就说明本系 统中目标点与参考点间的距离测量原理，即室内超声测距的原理与方法。 2.3 超声测距原理与方法 超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距最为常 用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。 目 标 S d h 发 收 图 2-7 超声测距原理图 如图 2-7 所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物， 经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间t， 第二章 超声测距技术综述 14 在已知超声波声速V的前提下，利用： VtS 2 1 （2-6） 即可计算得传感器与反射点之间的距离S，测量距离 2 2 2 h Sd （2-7） 当hS 时，则Sd ，即： Vtd 2 1 （2-8） 其中超声波速度V与环境温度T()的关系式是： 16.273/145.331TV （2-9） 为了方便计算超声波声速V，简化为式： TV607. 04 .331 （2-10） 2.4 采用双比较器整形电路的工作原理 以往的超声测距系统使用一个比较器电路， 不能准确的对回波前沿时刻进行 测定，为了判断超声回波信号前沿以进行渡越时间t的测定而设置一定的门限电 压，但由于每次测距的回波信号的峰值不同，当选取一定的门限电压时，如果门 限值设置过高，会造成信号的漏触发，但也不能设置的过低，否则会造成噪声信 号的误触发。所以本系统采用两个比较器整形电路，可以对回波前沿到来的时刻 进行测定。其工作原理如图 2-8 所示，其中正弦波实线是回波波形，长划线是正 弦波的正方向的包络波形，其中坐标轴横轴为发射至接收超声波所需时间，纵轴 为回波电压幅值。 其中比较器 1 的门限电压为 1 v， 比较器 2 的门限电压为 2 v（其中 1 v40? MOV R5, #80H LCALL COMPARE JC GETSPEED_1 ;30? MOV R5, #0E0H 第四章 室内超声测距系统的软件设计 49 LCALL COMPARE JC GETSPEED_2 ;20? MOV R5, #40H LCALL COMPARE JC GETSPEED_3 ;20，则转 JB FUHAO, GETSPEED_21;否，则根据温度的正负，取 20时的温度 MOV SPEED, #03H ;温度为正值，则声速为 344m/s MOV SPEED+1, #5CH RET GETSPEED_21: MOV SPEED, #03H ;温度为负值，则声速为 319m/s MOV SPEED+1, #1DH RET GETSPEED_3: MOV R4, #00H MOV R5, #0A0H LCALL COMPARE JC GETSPEED_4 ;10，则转 JB FUHAO, GETSPEED_31;否，则根据温度的正负，取 10时的温度 MOV SPEED, #03H ;温度为正值，则声速为 338m/s MOV SPEED+1, #4DH RET 机器人定位的室内超声测距系统的研究 50 GETSPEED_31: MOV SPEED, #03H ;温度为负值，则声速为 325m/s MOV SPEED+1, #2CH RET GETSPEED_4: MOV SPEED, #03H ;温度为 0，则声速为 332m/s MOV SPEED+1, #3EH RET 4.2.3 超声波发射子程序 超声波发射子程序，是采用软件编程的方法控制单片机 P1.0 引脚发射一串 40kHz 的脉冲信号，其程序如下： ;* ;P1.0 口产生 16 个 25 s 方波脉冲 ;* PULSE: MOV 10H, #20H HERE: CPL P1.0 ;0.5s NOP ;5.5s NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP ;5.5s NOP NOP NOP NOP 第四章 室内超声测距系统的软件设计 51 NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ 10H, HERE ;1s ;实际频率 1/(25s)=40kHz RET 4.2.4 中断处理子程序 中断处理子程序25包括 INT0 和 INT1 中断处理子程序，定时器 T0 和 T1 溢 出中断处理子程序和串口通信处理子程序。串口通信处理子程序，实现单片机与 其它微处理器之间的通信，可以在相关资料上查到，在此不作介绍。这里只介绍 INT0 中断处理子程序和 T0 溢出中断处理子程序，INT1 中断处理子程序和 T1 溢出中断处理子程序与上程序类似，不作介绍。 如图 4-3(a)所示， INT0 中断处理子程序是响应单片机的外部中断。 在系统主 程序中，发射的 40kHz 脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中 断信号至单片机。在中断服务程序中，首先进行必要的现场保护，再把进入中断 服务程序处的计数值读出并对该数据进行存储。 INT0 中断服务子程序如下： RECEIVE： PUSH PSW ;中断现场保护 PUSH ACC CLR EX0 ;关闭外部中断 INT0 MOV TSL1, TL0 ;读取时间,存储到 TSL1,TSH1 MOV TSH1, TH0 SETB EX0 ;打开外部中断 INT0 POP ACC POP PSW RETI 机器人定位的室内超声测距系统的研究 52 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 定时器 T0 溢出中断处理子程序流程图如图 4-3(b)所示。 由于 51 单片机是 16 位定时器，采用 24MHz 晶振，最大计时时间为 32768s，当测量的距离很远的 时候，定时器就会发生溢出；所以必须对溢出中断进行相应的设置才能使得单片 机正常工作。 同时由于电路的测量距离有限最远为 5 米， 当测量距离超出 5 米时， 接收探头就不能检测回波， 即不能产出外部中断更不可能关闭定时器。 程序如下： TIME0：PUSH PSW ;中断现场保护 PUSH ACC CLR EX0 CLR TR0 MOV TL0, #00H MOV TH0, #00H SETB TR0 SETB EX0 LCALL PULSE ;调用发射脉冲子程序 POP ACC POP PSW RETI 关外部中断 读取时间值并存储 开外部中断 返回 INT0 中断入口 定时中断入口 关闭定时器 定时器初始化 发射脉