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用于探雷机器人的超声波测距系统 专业名称：计算机软件与理论申请者姓名：刘升平导师姓名：葛红 摘要 本超声波测距系统用于移动探雷机器人的探雷框离地高度自动控制。机器人 要实现在不确定环境下操作，具备越障功能或自动导航，传感器起着关键的作用。 本系统除了要测量探雷框离地高度外，更要对机器人发出控制信号，以便控制探 雷框作出正确的越障动作。另一方面，盲区问题一直是超声波测距系统研制最关 键、最难处理的问题之一，对于本系统，机器人由于探雷框接近地面，传感器也 需接近地面，所以对盲区范围的要求更高，对此领域的研究有一定意义。 本文的主要工作有：( 1 ) 本系统改进了传统的使用阈值计算回波的检测方法， 改为回波峰值输出负脉冲检测结束时间点。( 2 ) 增加检测环境温度从而修正波速， 使测量更准确。( 3 ) 在盲区处理的绕射问题上，改进了传统的延时或屏蔽绕射波 办法，改为区分绕射波和回波的方法，从而更准确地检测出回波信号，减小盲区 范闱。( 4 ) 采用动态改变超声波发射功率，使盲区进一步减小，有利于近距离测 量。( 5 ) 在蚓波抗干扰处理上，采用检测负脉冲稳定性的方法，使系统测量的稳 定性和精度进一步提高。( 6 ) 对测量数据进行数理统计处理，主要采用数学方差 排除个别偏离过大的数据。 本文的结论为：( 1 ) 本系统是根据工程标准研制，结果要达到t 程指标要求： 高度设定( 即测量范围) ：卜1 0 0 0 m m ；控制偏差( 即测量相对误差) ： = 5 ；指令响应时间： = 2 0 m s ；测量盲区距离：2 0 m m ：p c b 板安装规格：7 1 m m * 5 6 m m 。( 2 ) 对系统作静态精确性检测，系统有效测量距离 为2 0 m m d 1 0 0 0 m m ，相对误差e 3 。盲区处理一直足超声波测距系统的研制 方面最大的难题之一。对系统作盲区检测，亩区大小为2 0 m m ，而一般的超声波 测距系统的盲区范围在l o o m m 至5 0 m m 之间。( 3 ) 应用在移动探雷机器人上， 除了具有基本的测距功能，通过控制信号和指令系统与机器人主控机通讯，从而 控制探雷框运动，完成越障。 移动探雷机器人代替人作危险的操作，实现探雷的机械化、信息化、无人化， 不仅推动相关科研技术的发展，更是对人生命财产安全的保护。而本系统作为探 雷机器人的一部分，达到相关的工程指标要求。并且本系统是为近距离测量设计， 对超声波测距的盲区处理难题的相关研究有一定的意义。通过进一步的探索和研 制，本系统可推广到环境智能的其他方面的应用上。 关键词：超声波测距，盲区，探雷机器人 a nu l t h a s o nicr a n gln gs y s t e mf o rmin e d e t e c t10 nr o b o t m a j o r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：l i us h e n g p i n g a b s t r a c t s u p e r v i s o r ：g eh o n g t h i su l t r a s o n i cr a n g i n gs y s t e mi su s e dt oc o n t r o lt h eh e i g h ta u t o m a t i c a l l yf r o m t h em i n ed e t e c t i o nf r a m eo fm i n ed e t e c t i o nr o b o tt ot h eg r o u n d t h er o b o tr e a l i z e d o p e r a t i n gu n d e rt h eu n c e r t a i ne n v i r o n m e n t ，s u r m o u n t i n go b s t a c l e so ra u t o m a t i c n a v i g a t i o n ，s ot h es e n s o r sp l a yt h ek e yr o l e t h i ss y s t e md e t e c t st h eh e i g h tf r o mt h e m i n ed e t e c t i o nf l a m e ，a n ds e n d ss i g n a lt ot h er o b o t ，i no r d e rt oc o n t r o lt h em i n e d e t e c t i o nf l a m et os u r m o u n to b s t a c l e s i no t h e rh a n d ，t h er e s e a r c ho fu l t r a s o n i c r a n g i n gs y s t e mw i l lf a c et h eb l i n dz o n ep r o b l e m t h i sm i n ed e t e c t i o nf l a m ei sc l o s et o t h eg r o u n da n dt h es e n s o ra l s oc l o s et o ，w h i c hm a k e st h i ss y s t e md e m a n d ss m a l l e r b l i n dz o n e s ot h e r ea r ec e r t a i nm e a n i n g si nt h er e s e a r c ho nt h i sf i e l d t h eg r o u n dw o r ko ft h i sp a p e ri s ：( 1 ) t h i ss y s t e mh a si m p r o v e dt h et r a d i t i o n a l e c h o e sd e t e c t i o nm e t h o dt h a tc a l c u l a t e st h r e s h o l dv a l u e ，c h a n g i n gi n t oo u t p u t t i n g n e g a t i v ep l u s e sa tt h ep e a kv a l u eo fe c h o e sw h i c hm e a s u r e st h ef i n i s h i n gt i m e ( 2 ) a d d i n gt h em e c h a n i s mo fm e a s u r i n gt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et or e v i s et h es p e e d o fw a v em a k e sm e a s u r e m e n tm o r ea c c u r a t e ( 3 ) o nt h ed i f f r a c t i o nw a v ep r o b l e mi n d e a l i n gw i t hb l i n dz o n e ，t h i sp a p e ri m p r o v e st r a d i t i o n a lm e t h o do ft i m ed e l a yo r s h i e l d i n gd i f f r a c t i o nw a v e ，a n dt h ei m p r o v e dm e t h o di s t od i s t i n g u i s hd i f f r a c t i o n w a v ea n dt h ee c h o e s t h i sm e t h o dm a k e st h em e a s u r e m e n to fe c h os i g n a lm o r e a c c u r a t e ，r e d u c i n gt h es i z eo fb l i n da r e a ( 4 ) b yt h em e t h o do fc h a n g i n gu l t r a s o n i c w a v et r a n s m i s s i o np o w e r d y n a m i c a l l y , t h eb l i n dz o n ei sr e d u c e df u r t h e r , f a v o r a b l et o i i i c l o s ed i s t a n c em e a s u r e m e n t ( 5 ) d e a l i n gw i t ht h ee c h oa n t i - i n t e r f e r e n c e ，t h i sp a p e r a d o p t st h en e g a t i v ep u l s es t a b i l i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d ，s ot h es t a b i l i t ya n dp r e c i s i o n o ft h i ss y s t e mi m p r o v ef u r t h e r ( 6 ) c a r r yo nm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c st od e a lw i t ht h e r e s u l to ft h ed a t a t h i sp a p e ra d o p t sm a t h e m a t i c sv a r i a n c et og e tr i do ft h ed a t aw h i c h d e v i a t et o om u c h t h er e s u l to ft h i sp a p e ri s ：( 1 ) t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t s t a n d a r d ，a n d t h er e s u l ts h o u l dr e a c ht h e p r o j e c t i n d e x r e q u i r e m e n t ：h e i g h t s e t t i n g ( n a m e l ym e a s u r e m e n tr a n g e ) ：0 1 0 0 0 m m ；t h ed e v i a t i o nc o n t r o l ( n a m e l y m e a s u r e m e n tr e l a t i v ee r r o r ) ： = 5 ；i n s t r u c t i o n r e s p o n s et i m e ： = 2 0 m s ；b l i n dz o n ed i s t a n c e ：2 0 m m ；p c bi n s t a l l a t i o ns p e c i f i c a t i o n ： 7 1m m 牢5 6 m m ( 2 ) b y m e a s u r i n gt h ea c c u r a c yo f t h es t a t i cs y s t e m ，t h es y s t e me f f e c t i v e m e a s u r e m e n tr a n g ei s2 0 m m d 1 0 0 0 m m a n dt h er e l a t i v ee r r o ri se 3 o n eo ft h e m o s td i f f i c u l tp r o b l e m so ft h er e s e a r c hi nu l t r a s o n i cr a n g i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mi s t h eu l t r a s o n i cb l i n dz o n e b yt h eb l i n dz o n et e s tt ot h i ss y s t e m , t h es i z eo fb l i n dz o n e i s2 0 m m , a n dg e n e r a lu l t r a s o n i cr a n g i n gs y s t e m sb l i n dz o n er a n g ef r o m5 0 m mt o l o o m m ( 3 ) a p p l y i n gt h em o v i n gm i n ed e t e c t i o nr o b o t ，t h i ss y s t e mn o to n l yh a st h e b a s i cf u n c t i o no fd i s t a n c em e a s u r e m e n t ，b u ta l s ob ys i g n a lm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m , a n di n s t r u c t i o ns y s t e mt oc o m m u n i c a t ew i t ht h em a i nm a c h i n eo ft h er o b o t ，i tc o n t r o l s t h ed e t e c t i o nm i n ef l a m em o v e m e n tt of i n i s hs u r m o u n t i n go b s t a c l e s t h em o v i n gm i n ed e t e c t i o nr o b o tr e p l a c e sh u m a nt oa c ta sd a n g e r o u so p e r a t i o n ， r e a l i z i n gm e c h a n i z e d ，i n f o r m a t i z a t i o n ，a n du n m a n n e d i tn o to n l yd e v e l o p sr e l e v a n t s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , b u ta l s oi tp r o t e c t st h ep e o p l e ss a f e t yo fl i f ea n dp r o p e r t y a n da sap a r to ft h em i n ed e t e c t i o nr o b o t ，t h i ss y s t e mr e a c h e st h er e l e v a n tp r o j e c t i n d e xr e q u i r e m e n t ib i ss y s t e mi sd e s i g n e df o rc l o s ed i s t a n c em e a s u r e m e n t ，s oi th a s c e r t a i nm e a n i n gi nt h er e s e a r c ho fu l t r a s o n i cr a n g i n gb l i n dz o n ep r o b l e m b yf u r t h e r e x p l o r a t i o na n dr e s e a r c h ，t h i ss y s t e mc a nb ep r o m o t e dt ot h eo t h e ra p p l i c a t i o no f a m b i e n ti n t e l l i g e n c e i v k e yw o r d g ：u l t r a s o n i cr a n g i n g ，b li n dz o n e ，m i n ed e t e c t i o nr o b o t v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：劢闷年 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在j 后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。论文作者签名：习h7 论文作者签名：一、l - f 日期：伊瞬易月丫日 刷币签名：碜1 日期：矽沪莎月乒日 了日 、l - _ f l i 、 ， 、钏 丫 八1 1 目 彰。明 用于探雷机器人的超声波测距系统 1 1 项目背景和意义 第一章绪论 本超声波测距系统用丁移动探雷机器人的探雷框离地高度自动控制。机器人 要实现在未知和不确定环境下操作，必须具备越障或自动导航功能，首要条件是 能对周闱环境能智能感知，冈此传感器起着关键的作用。而本测距系统安装在机 器人的探雷框上，探雷框可上下运动、左右转动翻越障碍。所以本系统除了要测 出离地距离外，更要在经过障碍物时对机器人主控机发出控制信号，从而控制探 雷框作出正确的越障动作。 本系统丌发时面临的挑战有： 1 机器人探雷框接近地面，传感器也需接近地面，冈此本系统的应用范罔在 近距离测量。而一般的超声波测距系统则应用在中远距离测量上。 2 所有超声波测距系统都要面临盲区问题，由于近距离测量对本系统的测量 盲区要求更高，盲区范围应控制在l o o m m 以下。 3 除了具有基本测距功能外，更要对机器人主控机发出控制信号，以及编写 与主控机通讯的指令系统。 4 根据机器人主体的工作人员要求，整个测距系统的体积要尽可能小。而且 受系统成本影响，芯片存储空间有限，软件编程要完成众多功能是个挑战。 5 探雷操作有即时性，控制指令响应时间要足够短，响应时间要求在2 0 m s 左右，切合r 丁程要求，因此软件程序不能用过丁复杂的算法计算，处理原则是简 洁有效。 本系统研究的意义有两点： 1 研制出符合t 程指标要求的系统，并能应用在探雷机器人上，完成基本的 测距和自动越障功能，甚至可推广到其他环境智能方面的应用。 2 超声波测距系统都会面临盲区问题，且一般的超声波测距系统应用于中远 距离测量，而本系统为近距离测量而丌发，冈此在保证一定测量精度前提下减少 1 用于探雷机器人的超声波测距系统 盲区距离，对此领域的研究有一定意义。 超声波测距系统可以应用到许多地方：在环境智能方面，需要对周边环境捕 捉信息，如展望中将会提到的g a i a 的肖像系统、u r b a ns o n a r 系统、“蝙蝠”系 统。冈为它是非接触式的，所以能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使 用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车 之间的距离。和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等 冈素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单， 成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。 1 2 超声波测距系统的研究现状和需改进地方 超声波测距精度的探讨1 一文中提到测量回波用到门限值的方法来测量 回波的真实时间。选取一定的门限值，接收刨波的包络线大于门限值时确定为回 波到达的时间。回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的7 5 作为门限 值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。此方法对第3 个波近似计算 为波峰的7 5 ，所以对精度要求较高的测量并不足够。 超声波测距误差分析h 3 认为收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。 提出减小盲区的改善措施可以减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小， 可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。这些措施也有一定限度， 例如：发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。 发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中 的衰减大幅度加剧，使作用距离下降。 高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用畸1 提出一种比较 有效的测量回波方法。它对| 亘j 波包络线进行峰值检测作为回波时间点。传统的测 量方法，以接收信号的幅值超过我们规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。时 间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量 的误差。针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、 滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最 后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无 2 用于探雷机器人的超声波测距系统 论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。 一种高精度超声波测距处理方法阳3 提出一种基于归一化包络曲线方程的 抗起伏信号处理方法。处理步骤为： 1 用一定的检测方法计算出方程中的起伏参数： 2 根据包络方程推算出回波的理想前沿； 3 得到准确的声波传输时间； 4 乘声速除2 即得距离。 这种方法从软件算法上计算回波时间点，过程过_ 丁复杂，有效性不清楚。不 如高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用的方法简洁。且对 于本系统指令响应要求高，单片机存储空间有限，较复杂的算法并不适用于本系 统。 用丁微地形探测的超声波测距系统n 1 通过软件编程和硬件方法，在绕射 波有效阶段封闭c p u 中断申请，躲避有效干扰。此方法能解决超声波绕射问题， 但是会增加亩区范围。此文论述到处理这种串绕信号一般有两种方法：( 1 ) 通过软 件编程从丌始发射剑虚假反射波结束时清零，从而使其不会向c p u 发出中断申请， 即可有效躲避干扰。( 2 ) 采用7 4 l s 7 4 a 构成双d 触发器，使比较后的信号仅在超声 波反射时间内输出为高电平，在从发射到接收到虚假反射波这段时间内置0 ，从 而在接收到串绕信号时也不会发出中断请求。通过这两种方法都能够有效地躲过 串绕信号，但同时也会形成盲区，系统的盲区约为l o o m m 左右。对于本系统并不适 用。 自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究随1 提出自动增益补偿电路 使误差控制在0 2 m m 至0 5 m m 之间，并减少测距盲区，盲区范喇为6 - 7 c m 。此方 法对提高精度和减少盲区都较有效。在软件编写的动态改变发射功率时可以作参 考。 简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但 也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕。但总的来说，论文中系 统的盲区范围较大，一般有l o c m 左右距离，个别较好的有4 - 6 c m 距离。 3 用于探雷机器人的超声波测距系统 1 3 本文研究工作 1 3 1 本文研究目标 本系统是根据t 程标准研制，因此研究的首要目的是要符合t 程指标要求。 其二，从论文现状综述上可以看到，一般的超声波测距系统是应用在中远距离测 量上，且测量盲区较大，普遍在l o c m 至4 c m 范i 韦l 内。由于本系统要安装在探雷 机器人的探雷框上，且比较接近地面，因此需要对测量盲区有较高要求，控制在 2 c m 左右。因此本文研究的另一个目的为尽量减少盲区，应用在近距离测量中， 有效测量范嗣为1 0 0 0 m m 以内。 本测距系统的技术指标为： 高度设定( 即测量范围) ：卜1 0 0 0 m m 控制偏差( 即测量相对误差) ： = 5 指令响应时间： d n ) p = p b ( 当d 8 2 0 ) & & ( o c r l b ! = 0 x 0 0 a 0 ) ) 9 0 0 ：1 4 0 0 7 3 0 ：1 1 0 0 7 8 0 ：1 2 0 0 o c r l b = 0 x 0 0 a 0 ； i f ( ( t i m e r l _ c o u n t 5 0 7 4 0 ) & & ( o c r l b ! = 0 x 0 0 c 1 ) ) o c r l b = 0 x 0 0 8 4 ；0 x 0 0 8 4 。 通过测量距离变化而动态改变发射超声波功率的技术，从而确保测量较远和 较近距离获得良好的精度，并且减小近距离的盲区范围。 1 2 用于探雷机器人的超声波测距系统 3 3 检测脉冲稳定性的抗干扰处理 反射波经过放大和包络后，在包络波峰时输出一列负脉冲，作为单片机外中 断输入，而回波结束时间点为第一个负脉冲的下降沿。由于超声波在传输过程衰 减和受外部环境干扰，第一个负脉冲下降边沿处有时会出现不稳定现象。干扰情 况具有非规律性和偶然性。每个负脉冲间隔5 0l as ，如果按平均概率发生干扰情 况，出现的绝对误差为2 51 1s * c ，c 为当l j 温度下的超声波在空气传播速度。为 了进一步提高准确度和稳定性，需要对反射波经过整形电路输出的负脉冲进行稳 定性检测。 图3 4 左边第一个负脉冲出现干扰情况 方法足检测出不稳定的负脉冲下降沿，把其排除来提高最后结果的准确性。 由于当某个负脉冲出现不稳定现象时，其宽度小于2 5l as ，正常情况下单个负脉 冲宽度为2 5ps 。所以检测的关键是测量脉冲的宽度。 检测方法遇到最大的困难在于：由于脉冲宽度的时间差已达到微秒级，检测 如此短的时间差只是利用单片机的中断和计数器机制是相当困难。 经过不断实验之后，得出可以同时运用计数器和捕获单元i c p 的处理方法， 计数器负责计算检测脉冲下降沿时间，而捕获单元i c p 则检测上升沿时间，i c p 当捕获到电平变化后会立即反映到i c p 寄存器上，不需经过中断处理函数，对于 紧迫时间的检测足相当高效，适用检测脉冲宽度情况。检测宽度为t = t c n t l 一 i c r l ，即可判断此负脉冲是否稳定。当t c n t l ( _ i c r k t w ，k = j ，j + l n ) ( t w 为脉冲宽度参考值，需通过实验得出) ，即把信号k 设为无效。 对于不稳定的负脉冲需要屏蔽，并以下一个稳定的脉冲作计算叫波结束时间 点，当然这种不稳定性只是由于偶然性干扰而出现。所以，对测量结果在数理统 13 用于探雷机器人的超声波测距系统 计修正的基础上，再对负脉冲的稳定性进行检测，可以有效地进一步提高测量的 精度和稳定性。 3 4 数理统计 关键是用数学方差方法排除测量值偏离较大的结果。在短时间内调用测距子 程序连续测量多个距离值d 1 、d 2 d n 由于刚丌始测量信号未稳定，需要对前 j - 1 个数据舍弃，按本实验所得数值j = 6 。计算数学期望e ( n ) = ( d j + d j + 1 + + d n ) n ； 计算d ( n ) = e n e ( n ) 2 】= 1 n ( d k e ( n ) ) 2 。以d ( n ) 作为方差的衡量标准c i ，计 算s u b j = o j - e ( n ) 、s u bj + 1 = dj + 1 一e ( n ) 、到s u b n = d n - e ( n ) 当s u b k 2 c i 把数据清零销毁。以上处理的目的是防止在超声波距离测 量中出现偶然性测量偏差，即某次测量数据偏离正常值过大通常n 值取值越大 结果越精确，但为了兼顾指令的响应时间，需要在实验中取得最合适数据，本项 目经实验所得n = 2 6 。 3 5 本章小结 本章详细分析了本系统所用剑的关键技术： ( 1 ) 本系统在硬件上改进了传统的使用阈值计算的回波检测方法，改为回 波峰值输出负脉冲检测结束时间点。 ( 2 ) 盲区处理的绕射问题上，改进了传统的延时或屏蔽绕射波办法，改为 区分绕射波和回波的方法，从而更准确地检测出回波信号，减少盲区大小。 ( 3 ) 采用动态改变超声波发射功率，使盲区进一步减少，有利于近距离测 量。 ( 4 ) 在回波抗干扰处理上，采用检测负脉冲稳定性的方法，使系统测量的 稳定性和精度进一步提高。 ( 5 ) 对数据结果进行数理统计处理，主要采用数学方差进一步排除个别偏 离过大的数据。 1 4 用于探雷机器人的超声波测距系统 4 1 系统总述 第四章系统设计 本超声波测距系统放置在探雷机器人的探雷框中，探雷框可平行地面上下运 动，前后遇到障碍时，超声波测距系统检测到障碍物，对探雷框发出抬高指令， 使其翻越障碍，越障后再对探雷框发出下降指令；探雷框可垂直方向转动，左侧 或右侧遇剑障碍时同理。本超声波测距系统与探雷机器人的主控机采用 r s 2 3 2 一t t l 和电平i o 接口方式进行连接，测距系统通过r s 2 3 2 t t l 接收土控机 的指令，或对主控机传输测量距离数据，测距系统通过i o 接口对主控机发出越 障运动的控制信号。 超声测距的基本原理一般采用时间差检测法。通过不断检测超声波发射后遇 到障碍物所反射的回波的时间，在已知超声波声速和空气温度的前提下，可计算 出距离即d = l t 2 ，其中d 为机器人与视测物之间的距离，矿为声波在介质中 的传播速度m s ，t 为超声发射到返回的时间间隔，速度会根据当前空气温度 t e m p e r a t u r e 进行修正：v = 3 3 1 5 + 0 6 0 7 宰t e m p e r a t u r e 。 本测距系统由a v r 单片机、超声波发射电路、接收电路、放大电路、包络 整形电路、测温电路组成与外界连接有：i o 接口、r s 2 3 2 一t t l 接口、5 v 和1 2 v 电源接口本测距系统的信号控制以单片机a v ra t m e g a l 6 l 为核心。单片机 a v r 首先发出一列固定占空比的4 0 k h z 方波，输送给超声波发射电路。待换能 器接收回波后，经过放大电路进行信号放大，包络电路对经放大的回波包络，整 形电路对包络线的峰值进行检测并输出负脉冲，单片机接收后进行一系列的软件 处理，以t t l 电平信号方式输出探雷框控制信号和测量数据主控机亦可用此方 式对单片机发出参数修正指令，微调测距系统的性能参数。 1 5 用于探雷机器人的超声波测距系统 图4 1 超声波测距系统框图 4 2 软件设计基本流程 本系统以单片机a t m e g a l 6 l 为核心，实现对各部分的控制和响应。本软 件基本架构分为两大部分：测距控制和机器人辅助功能。测距过程控制和距离计 算为核心：辅助功能的目的是满足探雷机器人的功能需求。 测距软件基本流程：开启数模转换测量环境温度，开启p w m 模式计时器发 送脉冲方波，开启计数器计时，待回波进入接收电路，经放大、整形等硬件处理 后输出- y o 负脉冲，触发单片机外部中断，停止计时并记录时间和脉冲宽度，调 整超声波发射功率，重复以上流程直到满足测量次数为止；盲区处理，对测量数 据作平均和方差、分离出偏差较大数据，检测脉冲稳定性以确保数据的有效性， 对有效数据作数学处理并作温度补偿修正计算最后结果。 机器人辅助功能流程：系统初始化，根据i o 接口和指令控制决定是否进入 自动控制模式，当进入自动控制模式后，需调用测距流程，并根据其计算的距离 结果决定机器人探雷框的运动方向，通过1 0 口输出运动控制信号，在测量后的 空闲时间内或在没进入自动控制模式的时间内响应机器人主控机发出的指令。 1 6 用于探雷机器人的超声波测距系统 4 3 开发环境 图4 2 软件基本流程图 i系统初始化 上 i 进入自动控制模式 上 凋川测距流程 上 l 输出运动控制信号 1 l i 响应主控机指令 本系统采用的主j 占片为a v ra t m e g a l 6 。a t m e g a l 6 有如下特点：1 6 k 字节的系 统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力，即r w w ) ，5 1 2 字节e e p r o m ，1 k 字节 s r a m ，3 2 个通用i o 口线，3 2 个通用工作寄存器，用于边界扫描的j t a g 接口， 支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器计数器( t c ) ，片内 外中断，可编程串行u s a r t ，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路l o 位具有 可选差分输入级可编程增益( t q f p 封装) 的a d c ，具有片内振荡器的可编程看 门狗定时器，一个s p i 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时c p u 停止t 作，而u s a r t 、两线接口、a d 转换器、s r a m 、t c 、 s p i 端口以及中断系统继续- t 作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除 了中断和硬件复位之外都停止t 作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许 用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；a d c 噪声抑制模式时 终止c p u 和除了异步定时器与a d c 以外所有i o 模块的工作，以降低a d c 转换 时的开关噪声；s t a n d b y 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处 1 7 用于探雷机器人的超声波测距系统 于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展s t a n d b y 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 f x c k l 广 p b 0 汀 1p 3 1 f i n t 2 7 a i n 0 p , 5 2 f o c 0 ；a i n l p 5 3 i s s p 为4 f m o s ；jp b 5 f m l s o jp a 6 f s e ( p b 7 r 昏汪丁 v e c g n d x t a l 2 x t a l l f r x d jp d 8 f t x d ) p d j f i n t 0 ) p d 2 f i n t l ) p d 3 f 0 c 1 3 jp d 4 f o c l a ) p d 5 f i c p l jp d 6 2 3 4 5 8 7 8 g 0 1 2 13 瑶 5 6 7 8 镑 2 0 4 0 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3 3 3 2 3 1 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 6 2 4 2 3 2 2 2 1 p a 0f a d c 0 j p a if a d c l ) p a 2f a d e 2 ， p a 3 ( a d c 3 ) p a 4f a d c 4 1 p a 5f a d c 5 j p a 6f a d e 6 ) p a 7 a d c 7 a r e f g n d a v c c p c 7f t o s e 2 j p c 6f t o s c l ) p c 5 汀d 1 ) p c 4 汀0 0 p c 3 汀羽s l p c 2f t ek i p c if s o a j p c 0f s e 毛1 p 0 7 o g 2 图4 - 3a v ra t m e g a l 6 引脚示意图( 来源：文献 1 3 】) 使用编译器为i m a g e c r a f ti d ef o ri c c a v r6 3 1 a 。 调试环境为a v rs t u d i o4 1 2 ，包括：a v ra s s e m b l e r 编译器，a v rs t u d i o 调试功能，a v rp r o g 串行、并行下载功能，j t a gi c e 仿真等功能，可结合仿真 器修改芯片熔丝位。 调试仿真器为a v rj t a gi c em k i i ，特点如下： 仿真支持型号：支持所有具备d e b u g w l r e 和j t a g 接口的a v r 。 仿真功能：支持全速运行、单步调试、断点调试等各种调试方法，可查看 i o 状态，变量数据等。 编程支持型号：支持所有具备d e b u g w l r e 和j t a g 接口的a v r 。 编程功能：具备烧写f l a s hr o m 、e e p r o m 、熔丝位、加密位等功能。 接入计算机接口：一u s b 接h - - r s 2 3 2 接口 支持目标板接口：一j t a g ：1 标准j t a g 2 用户自定义j t a g ( 散头线) 用于探雷机器人的超声波测距系统 4 4 基本部件分述 4 4 1 超声波发射 发射电路充分利用单片机的软件处理功能，优点有：( 1 ) 电路设计简洁，省 去了复杂的调制及分频电路。将单片机产生的脉冲方波信号经过三极管放大连接 到超声波探头一端，根据逆压电效应，产生振动频率为4 0k h z 的超声波；( 2 ) 发 射功率能按照距离动念改变。由于通过软件设计，单片机产生的方波脉冲占空比 可动态改变，范罔为5 0 - 7 5 ，改变幅度可根据当前测量距离自动调整，增强接 收刚波在测量距离变化时的稳定性。 发波程序如下： 术发方波：使用计数器1 , v o i dw a v e b e g i n ( v o i d ) t i m e r l t y p e = 0 ： t c c r l b = o x 0 0 ：s t o p t c c r l a = o x 0 0 ： t c n t l = o x 0 0 0 0 ： o c r l a = o x o o c 7 ：频率4 0 k h z o c r l b = o c r l b ：占空比6 4 ：5 0 a o ：8 0 b 4 ：9 0 c 1 t c c r l a = 0 x 2 3 ： t c c r l b = o x l 9 ： ) 胁停止发波木 v o i dw a v e s t o p ( v o i d ) t c c r l b = o x 0 0 ：s t o p t c c r l a = o x 0 0 ：) 1 9 用于探雷机器人的超声波测距系统 4 4 2 放大与抗干扰处理 由于超声回波信号微弱并含有噪声，需对信号进行放大，电路采用c a 3 0 8 0 跨 导运算放大器。当中还应用到l c 并联谐振作抗干扰，它能够在电路输出负载变化 时提供近似恒定的频率，其频率为4 0 k h z ，有效地抑$ 1 4 0 k h z 以外的各种频率干 扰。 4 4 3 时间点检测 运用对叫波形成包络线、检测波峰值并整形输出脉冲的技术，提高了测量精 度并有效减少测量盲区。 超声波换能器发出的超声波足具有一定宽度的等幅余弦波，但由于经过反射 在空气传播接收后，波形发生畸变。在畸变的凹波信号中确定哪一点作为时间检 测点成为检测电路设计的关键。同时亦要考虑超声波绕射造成的波形叠加问题， 这直接影响测量盲区的大小。时间点检测并不需要测量出回波到达的绝对时间 点，只需测出相对时间，对回波信号作包络，包络线峰值的时间点t 与实测距离l 存在稳定线性关系：l = k * t 。对回波信号经放大电路处理后进入波形包络电路， 并通过整形电路在包络线的边沿下降时刻输出一列负脉冲，作为单片机的中断口 输入，中断触发计时器停止。此电路设计使包络线的峰值位置成为超声波传播计 时的终止时间点。 4 4 4 温度测量 超声波传播速度与空气温度相关，为了提高测量精确度，设置了温度测量电 路作声速修正。单片机模数转换接口与温度测量电路连接。温度传感器采用 a d 5 9 0 ，其输出电流信号，经电流电压变换电路变成电压信号，最后输入到单片 机的模数转换口，通过寄存器a d c 读取并计算出电压值：v o l t a g e = a d c * v r e f 1 0 2 4 ，嘲单片机参考电压值。最后计算出温度值：t e m p e r a t u r e = v 0 1 t a g e r 木1 0 0 0 0 0 0 0 - 2 7 3 2 + c t ，r 为电流电压变换电路中的电阻值，c t 为温 度补偿。 2 0 用于探雷机器人的超声波测距系统 测温程序如下： * a d 测温转换完成触发( c o n v e r s i o nc o m p l e t e ，r e a dv a l u e ( i n t ) ) 木转换成摄氏温度值木 # p r a g m ai n t e r r u p t h a n d l e ra d c i s r ：1 5 v o i da d c is r ( v o i d ) u i n ta d c o v a l u e = o ：a d c o 测温数值 f l o a tv o lt a g e = o 0 ：a d 电压 a d c o v a lu e = a d c l ： r e a d8l o wb it sf i r s t ( i m p o r t a n t ) a d c o v a l u ei = ( i n t ) a d c h ( h e i g h t c s + e