（控制理论与控制工程专业论文）无串扰超声测距系统硬件电路设计与建模.pdf

摘要近年来，超声测距传感器被广泛用于移动机器人避障系统。与激光、红外线、无线电波和图像等避障传感器相比，超声传感器具有成本低、受环境影响小等优点。但是，超声传感器在移动机器人上的应用也遇到了困难，比较突出的问题是当多个超声换能器同时工作时存在的超声串扰现象。超声串扰严重地影响了机器人的测距精度，也阻碍了超声传感器在机器人上的应用。为解决超声串扰问题，一些学者提出了不同的解决方法，其中比较好的思路是基于硬件电路的相关匹配法。然而，实现这一思路的硬件电路尚不理想。本文在对传统超声测距系统深入分析及反复实验的基础上设计了集发射与接收于一体的硬件电路，并对超声发射与接收电路各组成部分和主要器件的功能做了详细解释。此电路具有测量距离远、盲区短，测量信号失真小、精度高，动态范围大、接收信号稳定，成本低、适合推广等特点。采用自回归滑动平均( a r m a )模型及p r o n y 参数估计方法建立了此超声测距电路的输入一输出传递函数，并通过实验验证了传递函数的准确性。此模型的建立可便于无串扰超声测距系统对脉冲编码和调制方式的选择，省去了繁琐的硬件验证，可满足理论研究和仿真的需要。关键词：移动机器人超声换能器串扰建模a b s t r a c tr e c e n t l y , u l t r a s o n i cr a n g i n gs e n s o r sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nm o b i l er o b o to b s t a c l ea v o i d a n c es y s t e m s 。c o m p a r e dw i t ho t h e rs e n s o r ss u c ha sl a s e r , i n f r a r e d ，r a d i ow a v ea n di m a g e ，u l t r a s o n i cs e n s o r sh a v ea d v a n t a g e so fl o wc o s ta n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y h o w e v e r , t h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cs e n s o r st or o b o t s i nw h i c ht h ew e l l k n o w no n ei st h eu l t r a s o n i cc r o s s t a l kp h e n o m e n o nc a u s e db ym u l t i p l eu l t r a s o n i cr a n g i n gs e n s o r sw o r k i n gt o g e t h e r t h ec r o s s t a l kd e c r e a s e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fd i s t a n c e ，a n dp r e v e n t st h eu l t r a s o n i cs e n s o r sf r o mb e i n ga p p l i e di nm o b i l er o b o t s d i f f e r e n tm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e db yr e s e a r c h e r si no r d e rt os o l v eu l t r a s o n i cc r o s s t a l k , i nw h i c ht h eb e t t e ro n ei st h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e dc o r r e l a t i o nm e t h o d ，b u tt h ec u r r e n tc i r c u i t ss t i l ln e e dt ob ei m p r o v e d b a s e do nt h ed e e pa n a l y s i so fc l a s s i cc i r c u i t sa n dl o t so fe x p e r i m e n t s ，as e to fu l t r a s o n i cr a n g i n gh a r d w a r es y s t e mw h i c hi n t e g r a t e su l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gi sd e s i g n e d ，a n dt h ef u n c t i o n so fe v e r yc o m p o n e n ta n dm a i nc h i p sa r ed e s c r i b e d t h ed e s i g n e dh a r d w a r es y s t e mh a sc h a r a c t e r ss u c ha sf a rd e t e c t i n gd i s t a n c ea n ds h o r tb l i n da r e a ，s m a l ld i s t o r t i o na n dh i g ha c c u r a c y , l a r g ed y n a m i cr a n g ea n ds t a b l ee c h o ，l o wc o s ta n de a s yt os p r e a d t h ea u t o - r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e( a r m a ) m o d e la n dp r o n yp a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o da r eu s e dt os e tu pt h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h eu l t r a s o n i cr a n g es y s t e m ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h et r a n s f e rf u n c t i o ni sv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ed e s i g n e dc i r c u i t sc a nf a c i l i t a t et h ec h o i c eo fp u l s ec o d i n ga n dm o d u l a t i o nm o d ef o r t h en o n - c r o s s t a l ku l t r a s o n i cr a n g i n gs y s t e m ，s ot h ec u m b e r s o m eh a r d w a r ev e r i f i c a t i o nc a nb ea v o i d e d ，w h i c hm e e t st h en e e do ft h e o r e t i cs t u d ya n ds i m u l a t i o nw o r k k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r , c r o s s t a l k ，m o d e l i n g独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：杯圃签字日期：乙渺了年夕月佃日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：林圃签字日期：劲移年夕月口同导师签名：曼拟眵导师签名：壹狱眵签字胁哪乎年夕月，d 日第一章绪论1 1 研究意义及背景第一章绪论机器人已经被越来越广泛地应用于工业、农业、国防、科学实验、服务业等社会的各行各业中。移动机器人是一种在复杂环境下工作的具有自规划、自组织、自适应能力的机器人，正在成为机器人技术研究的新热点和重点【l 】o 移动机器人智能化的一个最基本，也是最重要的表现是能够自主行走、自动躲避障碍物。理论上，移动机器人的行为可以根据其所处的环境预先进行规划，由一系列运动加以描述，最终能够实现自动行走和自动避障。但是在实际环境中存在运动的人或物，甚至环境只是局部已知，移动机器人的行为不能完全依照预定的规划去实现目标，因此移动机器人需要探测周围环境的感知系统，利用各种传感器采集环境信息，实时调整行为，实现机器人的自主导航。超声波测距传感器【2 一】( 超声换能器) 价格低廉、硬件容易实现、测距准确，故被广泛用作移动机器人的测距传感器。超声波测距是一种非接触的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等因素的影响，具有一定的适应恶劣环境的能力。与激光传感器相比，超声测距传感器更容易获得近距离的空间信息，并且在价格上有很大优势。因此，超声测距传感器已成为移动机器人感知环境信息必不可少的一种传感器，它与c c d 摄像机、红外、激光等传感器共同组成移动机器人的感知系统。在加上驱动信号激励后，超声换能器发出超声波，接着超声换能器转入接收状态，等待回波的到来。超声波碰到障碍物后反射回来，被超声换能器接收。通过测量超声波的来回行程时间并根据超声波在相应介质中的传输速率，可以计算出超声换能器与障碍物之间的距离。由于超声换能器的波束角有限，为了获取更多的周围环境信息，采用多个超声传感器组成传感器阵列 5 1 是比较普遍的方法。但是，由于多个超声传感器的存在，相邻传感器之间常常发生干扰，即为超声串扰。超声串扰【6 】是指在多个超声测距传感器同时工作时，其中的一个超声换能器接收到的信号是其它换能器发射的超声或超声碰到障碍物后的回波，并非自己发射超声的回波，由此导致换能器与障碍物之间的测量结果发生错误，从而会使移动机器人下一步的动作发生错误，极有可能撞上障碍物，产生严重的后果。因此，多个超声测距传感器同时工作时产生的超声串扰问题是一个亟待解决的问题。第一章绪论1 2 文献综述超声串扰几乎发生在所有的多超声传感器系统中，尤其是存在光滑表面的环境中。对于内部串扰源，如果反射表面和超声传感器系统的相对几何关系不发生明显改变，错误测量就会重复发生。常用的消除超声串扰的方法分为基于启发式思想的软处理方法和基于硬件的编码方法两种【引，下面分别给予详细介绍。1 2 1 基于启发式思想的软处理法基于启发式思想的软处理法主要包括e e r u f i g - 9 j ( e r r o re l i m i n a t i n gr a p i du l t r a s o n i cf i r i n g ) 和r o s u m 1 0 - 11 ( r a p i do b s t a c l es e n s i n gu s i n gm o b i l er o b o ts o n a r ) 法。e e r u f 法采用“连续读数比较 和“交替延迟比较”法分别消除外部和内部串扰源。所谓“连续读数比较”，是指比较来自同一个换能器的连续两个读数。如果是“好”的测量读数，即不是由噪声产生的，那么连续两个读数之间的差一般很小。所谓“交替延迟比较法”，是指每个换能器在接收到一个回波并等待一个短延迟后重新发射，且对每一个换能器短延迟时间都是不同的。适当地选择这个短延迟时间，可以使得串扰产生的两个错误的连续读数之差大于一个时间阈值，从而串扰现象可以被识别并消除。r o s u m 法主要考虑了在移动机器人周围只有一个障碍物的情况下消除内部串扰。当超声传感器进行一次全景扫描后，每个超声传感器得到一个距离测量值。首先选择所有超声传感器读数的最小值作为参考值，通过神经网络将此参考值与其相邻超声传感器的读数进行比较和分类，判断此参考值是否是正确的。如参考值是正确的则停止，否则，重新选择其它超声传感器的读数作为参考值，并重复上述操作，直到发现正确读数为止。在获得正确超声传感器读数的基础上，此文还采用最小平方曲线拟合技术来估计回声信号反射点的方位，从而可以部分地解决超声传感器方向性差的问题。r o s u m 法能够检测到突然出现的和低频扫描不能及时检测到的障碍物，这使得其适合在动态环境中的快速移动机器人扫描。相比e e r u f 法，此法可获得更快的全景扫描速度。软处理方法的优点是实现起来比较经济，不需要特殊的硬件。但缺点是不能彻底消除串扰。要想从根本上消除串扰现象，一个比较有效的方法是基于硬件的编码法。通过编码给每个超声换能器赋予一个独特的标志，使每个换能器发射的信号各不相同，这样通过波形匹配技术就可以鉴别出自己的回波并剔除串扰信号。基于硬件2第一章绪论的编码法允许多个超声换能器同时工作，从而可以大幅度提高超声传感器系统的工作效率。但此法一般需要相应的硬件支持，从造价角度考虑，比软处理法要贵些。1 2 2 基于硬件的编码法s h r a g as h o v a l 和j o h a n nb o r e n s t e i n 提出为超声传感器编码【1 2 】的方法来解决超声串扰，就是为每个超声传感器分配一个特殊的编码，每个超声换能器发射的脉冲个数由分配的码决定，即使回波信号被别的超声传感器接收，也能识别是哪个超声传感器发射的。发射物的距离可以由几何插值( g e o m e t r i ci n t e r p o l a t i o n )的方法计算出来。接收到的其他超声传感器的回波可以用来计算障碍物之间的相对距离，把超声串扰不作为一种负面影响，而是将串扰作为有用的信息，从而使系统更加可靠和精确。但是它在发射超声时延用了e e r u f 的交替发射方法，并不是同时发射，而且对障碍物之间的距离有要求。j 6 r g 和b e r g 把伪随机编码以及在雷达中使用的相关技术引入到超声测距中用以解决超声串扰b 3 - 1 5 l 。以不同伪随机编码信号来驱动各个超声换能器发射超声波，相当于给每个超声传感器驱动信号加上一个可以辨识的标志，在接收阶段采用匹配滤波的方法处理回波信号实现相关来区分回波，从而能够消除串扰现象的影响，并能够识别叠加的回波。j 6 r g 和b e r g 采用一般的调幅伪随机序列消除声纳串扰，在超声发射端，通过d s p 处理板上的d a 转换器将伪随机数字序列转换成模拟电压量用于激励超声换能器。在接收端，采用匹配滤波来识别接收到的回声信号是否是其自己发射的，从而达到消除串扰的目的。此法成功的前提是发射的伪随机激励序列必须具有非常好的自相关性能。由于伪随机数具有良好的相关性和独立性，近年来，国内越来越多的学者把伪随机数应用于工程中，解决了不少实际问题。另外，应用不同的调制方式也可以产生不同的发射序列。李扬和李晓明利用m 序列伪随机码的随机性和周期性 1 6 j ，将其应用于控制测距回答概率，极大地提高了测距器地面应答器的准确性。潘仲明等研究了超声波扩频测距技术 1 7 - 1 8 1 ，采用伪随机码扩频解扩方法，提高了超声测距系统的分辨率和测量范围，但没有考虑到发射序列长度对相关结果和系统实时性的影响，不适用于对超声避障实时性要求较高的场合。程晓畅等应用伪随机二进制序列进行超声扩频测距 1 9 - 2 0 ，优化了发射电路，提高了超声波的作用距离，但该种方法相关效果不甚理想。黄增荣等对基于伪随机序列的扩频法超声波测距中渡越时间捕获的方法f 2 1 2 2 】进行了研究，提高了渡越时间测量的准确性。葛万成等采用伪随机二进制序列信号作为发射信号 2 3 - 2 4 】，对计算相关函数的两步相关算法进行了深入研究，显著减少了数据处理时间。重庆第一章绪论大学唐朝伟等对一个伪随机序列用于目标检测 2 5 1 时的特性做了研究，采用扩频技术实现了超声多目标检测及干扰抑制，但对应用多伪随机数序列的多超声换能器没有做深入地探讨。太原理工大学杜艳生和杨斌虎的硕士学位论文均涉及应用二进制伪随机m序列进行超声测距陋2 7 j ，证实了二进制伪随机m 序列在超声测距中应用的可行性及优点，但并未涉及到序列长度及相关结果方面的研究，未考虑实时性问题。专利“混沌脉冲序列超声测距方法和装置”( 专利申请号：2 0 0 6 10 0 1 4 7 8 6 8 ，公开号：c n l 8 8 8 9 3 2 ，专利申请人：孟庆浩，梁琼，姚风娟) 利用微机系统生成混沌脉冲宽度调制序列来激励超声换能器。此外，孟庆浩等 2 5 - 2 9 】提出伪随机频率调制方式和伪随机跳频脉冲宽度调制方式构造发射序列以消除超声串扰。f o r t u n a 和他的同事1 3 0 1 借用混沌通信领域中的混沌脉冲位置调锋i t j ( c p p m ) 3j l方法来消除超声串扰。c p p m 的思想是产生一系列脉冲，相邻脉冲之间的间隔按混沌规律调整。文献 3 0 】中的超声信号由变压器激励，混沌信号由蔡氏硬件电路 3 2 】产生。混沌脉冲位置调制方法减小了测距的盲区，提高了测距精度，但发射序列太长，为2 0 0 m s ，不能满足机器人避障对实时性的要求。b a r k e r 码f 3 引、g o l a y 互补序列对 3 4 - 3 6 】等也己被一些学者所使用。b a r k e r 码长度较短、种类也有限，因此在使用中受限；g o l a y 互补序列对在实际实现中硬件较复杂。利用编码方法解决超声串扰问题时，除了利用上述的编码调制方法外，国内外的学者还加入了对编码的优化方法，如遗传算法 3 7 - 3 9 等。1 3 研究思路超声换能器的驱动电路是个关键的电路，它关系到超声信号的接收质量。目前常用的驱动电路有两种，一是d c d c 驱动电路，二是变压器驱动电路。d c d c驱动电路产生余振少，适合编码激励，但能量利用率低，且不能与换能器在声电性能上相匹配，这必然导致超声波测量距离短。相反，变压器驱动电路能量利用率高，能与换能器在声电性能上相匹配，测量距离远，但电路产生余振多。余振的存在，严重影响了信号的编码调制质量。对于收发一体电路，余振的存在，增大了测距盲区。，自增益放大电路也是个关键电路。由超声换能器的声电转换关系可知，声压大时转换成换能器的电信号就大，反之电信号就小，为了得到一个幅值稳定的回收电信号，自增益放大电路是必不可少的，且要求动态范围非常大。本电路用的静电换能器相当于一个电容器，它与变压器构成一个l c 电路，这是一个二阶振荡电路。为了消除过长的余振，必须要加入耗能元件，这要综合4第一章绪论考虑，不能有过大的能量损失。用高速的光电继电器将驱动电路与回收检测电路相隔离，避免余振对回收信号的影响，减小测距盲区。自增益放大电路的调节元件采用结型场效应管，结型场效应管在可变电阻区其阻值受栅极电压控制。用结型场效应管控制自增益放大电路的放大倍数，可使放大电路的放大倍数在一定范围内连续可调。为了获得稳定、精确的输出信号，可采用p i d 调节器来控制。在建立硬件平台的基础上，本文在理论上分析推导超声测距系统的线性性质，并采用a r m a 模型，p r o n y 方法估计模型参数构造系统的模型，并用实验数据证明该模型的正确性。1 4 主要贡献( 1 ) 设计了一个性能优良的超声测距系统的发射和接收电路，为用相关法测距供了一个硬件平台。( 2 ) 建立了一个超声波发射和接收系统的数学模型，为超声波发射信号的编码调制研究提供了理论基础。1 5 内容安排第一章绪论，简要介绍了超声串扰消除的研究意义和背景，同时对本课题研究内容及主要工作进行了概括。第二章超声换能器原理，介绍超声波的特点，超声换能器的工作原理及分类，重点介绍静电超声换能器的结构、工作原理、特性，最后介绍了超声串扰产生的机理。第三章超声测距系统的硬件电路设计，主要介绍超声测距系统电路的工作、设计原理及主要元器件的特性。第四章超声测距系统的参数化建模，主要理论分析超声测距系统的线性特性，在此基础上建立系统模型并实验验证模型的正确性。第五章实验数据及分析，主要给出实验测量的数据和对数据的分析结论。第六章总结与展望，主要介绍本文所做的工作及对未来的方向提出见解。第一章绪论1 6 本章小结本章简要概括了消除超声串扰的研究背景，以及现有超声串扰解决方法的实现方法，同时对本课题研究内容及作者的研究思路、主要贡献作了概括介绍。6第二章超声换能器原理2 1 超声波基本理论第二章超声换能器原理声波是一种物质波，是在弹性介质( 气体、液体和固体) 中传播的压力、应力、质点运动等的一种或多种变化【柏】。超声波是指频率大于2 0 k i - t z 的弹性波。一般人耳能听到的频率范围在1 6 h z一2 0 l 洫之间，因此频率低于16 h z 的声波叫次声波，而高于2 0 k h z 的声波叫超声波，当频率大于2 0 m h z 时叫做微波超声波。2 1 1 超声波的三大特性参数声压、声强及特性阻抗，是反映超声波特性的主要物理量。( 1 ) 声压p ( 单位为p a ) -p = z 。v( 2 - 1 )z 。为声特性阻抗，矿为质点的振动速度。声压可用来表示超声波的强度，即表示传播的振动能量强度。声压越大，表示超声波的强度越大，传递的能量也越多。( 2 ) 声强i ( 单位为j s m 2 或w m 2 ) ：i = e f s t( 2 2 )e 为能量，s 为面积，t 为时间。声强表示在垂直于超声波的传播方向上单位面积、单位时间内通过的声能量。它用来衡量超声振动能量的强弱i( 3 ) 声特性阻抗z 。z 。= p xc( 2 3 )p 为介质密度，c 为声波在介质中的传播速度，它反映介质的声学性质。由于液体或固体的声特性阻抗比空气的声特性阻抗高许多倍，所以，同一振幅时，第二章超声换能器原理液体、固体中的超声波强度、声压比空气中的声波高。2 1 2 超声波的性质( 1 ) 超声波能够传递很强的能量。( 2 ) 超声波通过不同介质时会在界面上发生反射和折射。( 3 ) 始超声波在弹性介质中传播遇上障碍物时，将发生散射和绕射。一般说来每一千障碍物，都能成为二次声源，使散射声波向各个方向传播。( 4 ) 超声波在介质中传播时，它的强度会随传播距离的增加而衰减。( 5 ) 超声波在介质中传播时，介质的质点随波振动，倘若有二列或三列以上的声波同时传到空间某点时，则该点的质点振动是各列声波单独引起的振动之合成。质点的位移是各个声波在该点所引起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。2 2 超声换能器原理超声波的发射和接收是通过换能器来完成的。超声换能器是指可以将声能转换为电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。2 2 1 超声换能器的主要性能指标发射换能器和接收换能器共同要求的指标 4 1 1 ：( 1 ) 工作频率发射换能器的工作频率等于它本身的谐振基频，这样可以获得最佳工作状态，取得最大的发射功率和效率。主动式超声换能器处在接收状态下的工作频率是与发射状态下的工作频率近似相等，而被动式接收换能器的工作频率有一个较宽的频带，同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦的接收响应。( 2 ) 机电转换系数和机电耦合系数，机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量( 或电学量) 与转换前的电学量( 或力学量) 之比。机电耦合系数，是指在能量转换过程中，能量相互耦合程度的物理量。( 3 ) 特性阻抗换能器具有一定的特性阻抗和传输常数。换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配。( 4 ) 品质因数第二章超声换能器原理换能器是由机械系统和电路系统组成，由电路系统的品质因数和机械系统的品质因数共同描述换能器的品质因数。( 5 ) 方向特性超声换能器不论是用做发射还是用做接收，它都具有一定的方向性。方向特性的好坏直接关系到超声设备的作用距离。( 6 ) 频率特性换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性，不同的换能器，它的频率特性是不一样的。发射换能器的重要性能指标：( 1 ) 发射声功率发射器在单位时间里向介质声场辐射的声能。换能器的发射声功率一般是随着工作频率而变化的，在其机械谐振时可获得最大的发射声功率。( 2 ) 发射效率发射效率分为机电效率、机声效率、电声效率。机电效率，是指换能器将电能转换为机械能的效率。机声效率，是指换能器的机械系统将机械能转换成声能的效率。电声效率，是指换能器将电能转换成声能的总效率。接收换能器的重要性能指标：( 1 ) 灵敏度灵敏度分为电压灵敏度和电流灵敏度。电压灵敏度，是指接收换能器的输出电压与在声场中引入换能器之前该点的自由声场声压的比值。电流灵敏度，是指换能器的输出电流与在声场中引入接收器之前的自由声场声压的比值。( 2 ) 等效噪声压换能器内部的分子热运动产生的噪声，称为自噪声或固有噪声。设有一正弦声波入射到接收器上，当此电压输出的有效值等于接收器自噪声在一赫兹带宽上的均方根电压时，则入射声压的有效值叫做等效噪声压。2 2 2 超声换能器的分类按照能量转换的机理和利用的换能材料，超声换能器可分为：( 1 ) 压电超声换能器：它是利用压电效应而工作的，是可逆的。它的工作频率从2 0 k h z 直至2 0 g h z 。( 2 ) 磁致伸缩超声换能器：它是利用磁致伸缩现象而工作的，也是可逆的。大多数情况下磁致伸缩换能器均工作在4 0 k h z 以下的频率。但若欲将其工作频率向高频方向扩展，则可容易地扩展到1 0 0 k h z 。在一定的环境条件下，亦可制出在兆频段或甚至是在千兆频段内工作的磁致伸缩换能器。9第二章超声换能器原理( 3 ) 机械超声换能器：它直接利用机械能产生超声波，包括纯机械振子以及辐射计等，其大多数可逆。这类换能器主要用于大功率的应用场合，其频率范围一般不超过5 0 k h z 。( 4 ) 静电超声换能器：它是利用电容器的原理而工作的。它可用来作为低强度超声波发生器，其频率上限为几百k h z 。它亦可用做高频接收器，做接收器用时，其工作频率可高达10 0 m h z 。这类换能器是可逆的。( 5 ) 电磁超声换能器：它是利用电磁感应现象而工作的。通常用于低频高强度的应用场合，个别情况下，也用它作为兆频段内的超声波接收器。这类换能器也是可逆的。( 6 ) 其他种类的超声换能器，包括热声换能器、化学声换能器及光声换能器等。2 2 3 静电超声换能器原理静电超声换能器包括电容换能器，s e l l 换能器和驻极体换能器等，这类换能器一般由金属薄膜( 或涂有金属层的介电薄膜) 和背电极组成，薄膜和背电极构成一个电容器。在薄膜和背电极之间须加上一偏置电压，当声波作用于薄膜表面时，薄膜受迫振动，薄膜和背电极的距离发生变化，薄膜和背电极之间的电容量也随之变化，从而引起薄膜和背电极间电压的改变。电容量的变化与声压的大小有对应关系，这就是电容换能器的接收机理。反之，当在电容换能器上加一交变电压时，由于静电相互作用，薄膜受迫振动而向空间发射声波【4 l 】。图2 1 静电超声换能器原理图静电换能器可等效成一个电容器，如图2 - 1 所示，“是一数值很大的直流偏置电压，r 是串联电阻，g 是电容，眈为一外加的交变电压。在图中电容器的两个极板( 即图中斜线部分) 充当换能器的电极，其中一个非常薄，作为换能器1 0第二章超声换能器原理的振膜，一般接地，而另一个电极非常厚重，可以近似看成固定电极，称为背电极。当外加电压作用于电容器上时，两电极间产生静电吸引力，超声换能器产生机械振动，发出超声。在接收超声回波时，回波入射到振膜，引起振膜与背电极之间距离发生变化，换能器的电容发生变化，从而在电路中产生回波电信号。2 2 4p o l a r o i d6 0 0 系列换能器在移动机器人上广泛采用压电超声换能器和静电超声换能器。压电超声换能器的体积比较小，工作电压也比较小。而静电超声换能器的体积要大一些，工作电压比较高，但是静电超声换能器的频带比较宽。p o l a r o i d6 0 0 系列静电超声换能器的主要性能参数如下【4 2 】：中心频率：5 0 k h z ；波束角：1 5 0 ；精度：士1 ；可测范围：2 0 c m 1 2 m ；良好的发射和接收响应范围；直流偏置电压：2 0 0 v ；交流驱动电压峰值：2 0 0 v ；最大工作电压：4 0 0 v 。超声换能器不论是做发射还是做接收，本身都有一定的方向性。对于一个发射换能器，其波束角特性曲线的尖锐程度决定了它发射声能的集中程度。而对于一个接收换能器，它的波束角特性曲线的尖锐程度决定其探测空间方向角的范围。图2 2 为p o l a r o i d6 0 0 系列静电换能器的波束角。州1 图2 - 2p o l a r o i d6 0 0 系列换能器波束角第二章超声换能器原理1 目k z 03 0口翮5 07 0邮9 01 叩1 0k 2 0柚帅靳7 0帅0 0 图2 3p o l a r o i d6 0 0 系列换能器发射特性图2 4p o l a r o i d6 0 0 系列换能器接收特性p o l a r o i d6 0 0 系列静电换能器的发射特性曲线和接收特性曲线分别为图2 3 和图2 4 。横轴表示发射信号的频率( k h z ) ，纵轴表示信号的衰减幅度( d b ) 。从图中可以看出该系列换能器做发射时电声转换过程中低于4 0 k h z 的信号幅度衰减很大，做接收时声电转换过程中高于7 0 k h z 的信号幅度衰减很大。因此，p o l a r o i d6 0 0 系列换能器工作在4 0 7 0 k h z 能量转换效率最高。2 3 超声测距原理用超声波测距离，一般采用渡越时间法，其原理如图2 5 所示。超声波发生器t 在某一时刻发出一个超声波，当超声波遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器r 接收。只要测量出从发出信号至接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体之间的距离。距离计算公式：d ：三：坐22( 2 - 4 )d 为被测物与接收器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声速，t 为声波来回所用的时间。声速c 与温度有关，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。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。在系统中加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度补偿。c = 3 31 4 5 + 0 6 f式中c 为声速，t 为摄氏温度值。( 2 5 )第二章超声换能器原理2 4 超声串扰图2 5 渡越时间法测距原理图超声串扰在移动机器人避障系统中是一种普遍存在的现象【4 ，1 。根据发射换能器和接收换能器是否属于同一个声纳阵列，串扰又可分为内部串扰和外部串扰。内部超声串扰( 如图2 6 ) ，是指换能器接收到的超声回波是由同一个声纳阵列内的其它换能器发射的超声遇到障碍物后返回的。阵列图2 - 6 超声阵列内部串扰内部串扰的主要来源是超声信号的镜面反射和多路经反射。当声波从一种介质传播到另一种介质时，依据两种介质的声阻抗、入射角度、介质交界面的光滑程度等因素会发生反射、折射等现象。反射又分镜面反射和漫反射。所谓镜面反射是指声波从一个光滑表面反射回来，在此种情况下遵循反射定律，即反射角等于入射角。光滑表面指的是反射面的粗糙度小于声波的波长。当反射面的粗糙度大于声波的波长时候，漫反射一般会发生。移动机器人所用超声换能器的工作频率一般低于2 0 0 k h z ，波长一般在几个毫米的量级。在结构化的室内环境下，普遍存在的光滑表面、桌子面、椅子腿，甚至砖墙面等的粗糙度都小于几个毫米，第二章超声换能器原理因此镜面反射现象较普遍存在。在实际应用中，因为每种超声换能器都有一个波束角，且以圆锥形的轮廓传播，因此当超声波束与光滑表面的入射角大于超声换能器波束角的一半时，一般镜面反射现象就会发生。外部串扰( 如图2 7 ) 是指换能器接收到的超声回波是由本声纳阵列以外的换能器发射的超声遇到障碍物后返回的。外部串扰的主要来源是其他机器人或装置上安装的超声传感器，尤其是多机器人协同工作时，超声串扰的发生是不可避免的。f 。|拜凋1超声浚p “h 、二阵列2图2 7 超声阵列外部串扰超声串扰问题几乎在所有多声纳系统都会发生，尤其是机器人在具有光滑表面的环境中工作时。而且对于内部串扰源，如果反射表面和声纳系统的相对几何关系不发生明显改变，错误测量很可能会重复发生，所以说超声串扰问题是多超声传感器同时工作时必须解决的一个问题。2 5 本章小结本章概括地介绍了超声波的基本知识、超声换能器的基本原理、p o l a r o i d6 0 0系列静电换能器的特性、主要参数以及超声串扰的产生机理。1 4第三章超声测距系统的硬件电路设计第三章超声测距系统的硬件电路设计3 1 超声测距系统电路方框图图3 1 为电路系统的方框图。图3 1 电路方框图3 2 超声测距系统电路原理图3 2 1 电路连接图图3 2 为各电路单元的连接图。图3 - 2 电路单元连接图1 5第三章超声测距系统的硬件电路设计3 2 2 发射及检测电路原理图图3 3 为发射及检测电路原理图。3 2 3 滤波电路原理图图3 3 发射及检测电路原理图图3 4 为滤波电路原理图。图3 4 滤波电路原理图3 2 4 自增益放大电路原理图图3 5 为自增益放大电路原理图。1 6第三章超声测距系统的硬件电路设计3 2 5 整形电路原理图图3 5 自增益放大电路原理图图3 - 6 为整形电路原理图。图3 - 6 整形电路原理图茁第三章超声测距系统的硬件电路设计3 2 6 开关控制电路原理图图3 7 为开关控制电路原理图。图3 7 开关控制电路原理图3 3 超声测距系统各电路单元设计原理3 3 1 发射电路及检测电路设计原理( 1 ) a q w 2 1 6a q w 2 1 6 为性能优良的光电继电器，可用来做高速开关。图3 8 为a q w 21 6的内部结构图。a q w 2 1 6 的电气性能如表3 1 所示。第三章超声测距系统的硬件电路设计8765酉一圊扭一剑1234图3 - 8a q w 2 1 6 的内部结构图表3 1a q w 2 1 6 的主要电气性能项目测试条件典型0 9 m al e d 工作电流i f = m a x最大3 m a典型0 8 m a输入l e d 截止电流i l = m a x最小0 4 m a典型1 1 4 vl e d 导通电压i l = 5 m a最大1 5 v通态电阻典型7 0qi l = 5 m a ，i l = m a x ，1 秒时间内输出最大1 2 0q阻态电流最大luai l = 0 ，v l = m a x典型0 2 8 m s导通时间i f = 5 m a ，h = m a x最大0 5 m s截止时间典型0 0 4 m si f = 5 m a ，i l = m a x传输特性最大0 2 m s典型0 8 p fi 0 电容f = i m h z ，v s = 0最大1 5 p fi 0 隔离电阻最大1 0 0 0 m5 0 0 v d c负载电压6 0 0 v负载电流4 0 m a( 2 ) 脉冲变压器本电路使用的脉冲变压器【4 5 】为s e n s c o m p 公司为6 5 0 0 超声波电路模块生产的专用变压器。该变压器的工作频率为5 5 k h z ，与静电换能器相配套。静电换能器工作在5 5 k h z 时，其声电关系达到最佳匹配状态，发射和接收效果都达到最佳状态。变压器的参数如下：初级供电电压：5 0 1v d c初级直流电阻：0 0 6 5q 2 0 初级绕组绕向：最外层次级电感( 5 5 k ) ：2 2 m h 1 0 次级直流电阻：1 0 0q 2 0 1 9第三章超声测距系统的硬件电路设计输出放大电压：5 8 0 + 3 0 v p p占空比： 2 ( 3 ) 发射电路及检测电路原理电路原理图如图3 - 9 所示。l 岌扔关c 3_ 1 卜( 蘑粒5r 3，+ l c 2主b。接燃d 0d 4【d 7l一【3】1il t | 鼬d ld 2i】d 5嘶【】r【3匕i图3 9 发射及检测电路原理图信号源形发出的脉冲信号，使q l 处于开关工作状态【4 6 i ，这样在变压器的初级线圈中就会产生变化的电流，变化的电流产生的磁通在变压器的次级线圈感应出电压，次级感应电压是初级线圈感应电压的7 0 倍左右( 初次级感应电压之比等于线圈匝数之比) 。次级线圈产生的几百伏高电压激励换能器，使得换能器发射超声波，电能转化成声能。超声波经障碍物反射回来，作用在换能器上，换能器的电容量随着超声波发生变化，电路中的电流也随之变化，声能转化成电能。这是超声波发射与接收一体的电路。开关k 1 和k 2 处于相反的工作状态。当k l 闭合( k 2 断开) 时电路处于发射状态，电路按固有频率做幅度衰减的自由振荡，换能器发出超声波；同时，二极管d 7 将交流整流成直流，电容器c 2 存储直流电压，其值约等于交流电压的峰值电压，该电压为换能器的直流偏置电压。二极管d l 和d 2 对余振起加速衰减的作用。调节可变电阻r 4 可改变余振的大小。当i q 闭合( k l 断开) 时电路处于接收状态，这时若有超声波作用在换能器上，换能器的电容量发生变化，在电路中产生变化的电流。e c h o 端点为回波电压检测点。二极管d 3 ，d 4 ，d 5和d 6 做限幅器，把e c h o 端点的电压限制在1 4 伏以内。在开关切换过程中，换能器通过电阻r 5 放电，以免损坏其他元件。由于电路处于开关状态，电压波第三章超声测距系统的硬件电路设计动大，所以用电容c 2 滤波。3 3 2 滤波电路设计原理( 1 ) m a x 2 7 5滤波器是从输入信号中选出有用频率信号并使其顺利通过，而将无用的或干扰的频率信号加以抑制的电路。只用无源器件r 、l 、c 组成的滤波器，称为无源滤波器，采用有源器件和r 、c 元件组成的滤波器称为有源滤波器。同无源滤波器相比，有源滤波器具有一定的信号放大和带负载能力、可很方便地改变其特性参数等优点；此外，因其不使用电感和大电容元件，故体积小，重量轻。但是由于集成运放的带宽有限，因此有源滤波器的工作频率较低。m a x 2 7 5 是m a x i m 公司生产的专用模拟集成有源滤波器芯片 4 7 】，芯片内部含有两个独立的二阶有源滤波电路，可同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波电路。滤波电路由四个运算放大器及若干电阻、电容组成。两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率为厂0 。转折频率，品质因数q ，放大倍数都由芯片外部的四个电阻确定。通过外接电阻的不同组合形式可以实现巴特沃兹、切比雪夫、贝赛尔型的低通、带通滤波器。滤波器的中心频率可从1 0 0 h z 至3 0 0 k h z ，增益带宽积为1 5 m h z ，品质因数q 可以高至1 0 0 。与由运算放大器和r 、c 组成的二阶节有源滤波器相比，m a x 2 7 5 组成的滤波器具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点。由于没有外接电容，高频场合时受分布电容的影响较小。图3 1 0 为其内部结构图。图3 1 0m a x 2 7 5 内部结构图2 1第三章超声测距系统的硬件电路设计n c l p 0 ag n db p o ag n dl h ab p i a刑af c ag n d图3 - 1 1m a x 2 7 5 引脚功能图图3 1 1 为m a x 2 7 5 引脚功能图：v + ，v 一：正、负电源输入端。i n a ，i n b 信号输入端。l p i a ，l p i b 低通滤波输入端。l p o a ，l p o b 低通滤波输出端。b p i a ，b p i b ：带通滤波输入端。b p o a ，b p o b 带通滤波输出端。f c a ，f c b ：频率控制端。m a x 2 7 5 的主要性能参数如下：频率范围：1 0 0 - 3 0 0 k h z频率精度：- 4 - 0 9 ；频率精度温漂：- - 2 4 p p m c ；q 值温漂：3 8 p p m 。c ；宽带噪声：6 p v r m s ( 1 1 - i z - 1 0 h z ) ，4 2 p v r m s ( 1 0 h z 1 0 k h z ) ,增益带宽积：1 5 m h z ：失调电压：士1 2 5 m v ( 低通输出) ，士5 0 m v ( 带通输出) ；失调电压温漂：2 0 p v o c ；谐波失真：- - 8 9 d b ( f t e s t = 1 k h z ) ，- - 8 3 d b ( f t e s t = 1 0 k h z ) ；o 输出电压摆幅： 4 - 4 5 v ( f u l = 5 垃) ；电源电压范围：一2 3 7 v - + 5 5 0 v ；工作温度范围：- - 4 0 , - - - - 8 5 。( 2 ) 滤波电路原理一一一一一一啪一眺一腿一一眦一u一|加坶体 m 巧hb 他一第三章超声测距系统的硬件电路设计有源滤波器设计是根据设计任务给定的技术指标选定电路形式和确定电路元器件。一般的总体设计原则如下【4 3 】：( a ) 滤波器类型的选择一阶滤波器电路最简单，但带外传输系数衰减最慢，适用于对带外衰减特性要求不高的场合。无限增益多环反馈型滤波器的特性对参数变化较敏感，压控电压源型二阶滤波器在这方面特性优于它。在设计带通滤波器时，如要求带通较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，其性能优于单纯的带通滤波器。佃) 级数选择滤波器的级数主要根据带外衰减特性来确定。每个一阶低通或高通滤波器可获得6 d b 倍频程( - 2 0 d b 十倍频程) 的衰减，每个二阶低通或高通滤波器可获得1 2 d b 倍频程( - 4 0 d b 十倍频程) 的衰减。多级滤波器串接的传输函数( 频率特性) 总特性的阶数为各级阶数之和。当要求带外衰