超声波测距系统外文文献翻译.doc

=大学本科生毕业设计外文文献及中文翻译 文献题目： ULTRASONIC RANGING SYSTEM 文献出处： United States Patent 译文题目： 超声波测距系统 学 生： 指导教师： 专业班级： 自动化11-4 学 号： 110601140416 电气信息工程学院2014年5月1日超声波测距系统摘要 超声波测距系统，是指选择性地激励一个变压器，使之产生换能器驱动信号。超声换能器发射的超声波脉冲用于响应驱动信号然后接收到一个在超声波信号发出之后的回波信号。分路开关接在变压器的绕组上，当超声波信号的传输在允许的近距离范围内达到一个稳定的等级，分路开关选择性的闭合来阻止蜂鸣器报警。第1章 发明背景 像在宝丽来相机中应用的可用范围测试系统，它们都是准确而且可靠的，但都不适用于近距离测距，举个例子，2到3英寸的距离内就不适用，所以他们在9英寸甚至更远的距离测距是可靠的。 它们可以应用在很多的应用程序中，但不适用于可移动机器人领域内。机器人通常必须通过门口只有两三英寸的间隙，如果当可移动机器人被操作于避障模式下通过狭小空间，可能机器人的规避路径过于狭窄，此外,规避动作应该使偏指定的路径距离最小化。近距离测距不用于超声波系统的一个原因是，近距离输出脉冲输出太长以至于它重叠在回波脉冲上，即使输出脉冲缩短,输出脉冲仍然重叠回波脉冲，因为声音紧跟着输出脉冲 。备中产生的回波信号脉冲的范围为100毫伏，但设置传感器响应所必需的电路回声脉冲是大约150伏到300伏之间。因此即使是最小的声波也会盖过回声信号。事实上,dual-diode钳位电路用于将150伏降低到二极管的击穿电压，即0.7伏特。但是这700毫伏足以盖过100毫伏的回波信号。目前系统需要50毫秒将300伏特的峰值发射电压降到0.7伏特，且额外需要500到600毫秒的时间将它稳定在1毫伏范围。第2章 发明总结 本发明可以提供一种改进的超声波测距系统。 本发明也可以提供一个改进的多通道超声波测距系统。 本发明也可以提供一种装有改进的超声波测距系统的车辆移动机器人。 本发明也能使超声波测距的范围及其精准。 本发明也可以为超声波测距系统提供更短的脉冲输出。 本发明可以使超声波测距系统的铃声远低于回波信号的水平。 同时也可以使超声波测距系统所有铃声低于回波信号的速度变得非常快，并在回波信号出现之前完成这个操作。 这个发明可以通过选择性的分流传动变压器的绕组从而快速的抑制振铃换能器的驱动信号来实现真正的短距离测距系统，这些都明确后，窗口就会迅速的返回短程回波。 这个超声波测距系统包括一个变压器并且通过选择性的方法激励变压器产生一个换能器驱动信号。这是一个可以发射超声波脉冲响应的驱动信号，同时在收到回波脉冲中生成一个回波信号的超声波换能器。阻尼法包括连着并联开关的绕组变压器，并且这个方法可以选择性的关闭并联开关，同时快速的阻尼振铃后超声波脉冲的传输水平会大大低于回波信号允许的水平。主要的体现为并联开关连接低压绕组变压器并且换能器是耦合高压绕组的变压器，可能会有一种降低方式来降低高压绕组和回波信号的水平高度。 该系统还包括拥有能生成一系列回波信号的方法。这意味着生成的一系列信号的同时还需要整合回波信号的积分电路。当比较器提供一个复位信号时，这是积分电路输出达到预定的水平。并且一个控制电路所设定的驱动信号在复位时，比较器会输出当积分电路达到预定水平时提供的一系列的信号的设置时间和重置时间。超声波测距系统可能是一个频道多通道的系统，同时整个系统可能是一个车辆或者是一个移动机器人。输出的脉冲也可以是一个或者许多个脉冲。第3章 运用超声波测距的比较好的例子 其他对象、特点和优势会在下面的描述中还有图纸中得以体现，其中：图一是一个机器人的侧轴投影，这个发明结合了超声波测距系统；图二是图一的分层视图，其中机器人有部分元件删除；图三是图一、图二中所示装置的电子模块框图；图四A图一所示机器人的超声波、红外和微波传感器的概念图；图四B是侧视图，图A是俯视图；图五A图三所示超声波模块中的传感器控制模块和超声波传感器的原理框图；图五B是控制超声波模块中的微处理器的软件的流程图图六是一个的电子机器人底盘的俯视图，显示了图一图二的传感器控制模块、传感器、超声波模块和电源；图七A是如图五图六所示的传感器控制模块的详细框图；图七B是显示图七A各种信号关系的时序图；图八是图七的更详细的变压器驱动原理图； 如图一所示，机器人10，这个发明包括头部12，基座14，它们可在三个轮子上移动，这三个轮子中只有16和18是可见的，轮子安装在三个可操作的座上，其中只有22和20是可见的，有24个超声换能器24像是宝丽来相机上安装的静电传感器，它们等距的围绕在基座14上，每两个夹角15度。在脖子26上有六个被动红外探测器28、30、32、34、36、38，其中只有28和30是可见的。这些探测器夹角都是60度，是等距的，可能是ARITECH的dr-321型号。紧上方是两个指挥带50、52，他们是用来给充电臂机器人电池充电的。机头部分12安装到底座14上在底座14中轴线上，可旋转。机头12上携带一个射频天线65，用于发送和接收通信信号的基本位置。机头部分12还包含一个红外传感器68，它被用在近红外区感应辐射，例如904纳米灯塔的LED灯62，其中一个或多个被安装在墙上用来保护机器人10还有协助机器人10定位和引导机器人10在该地区巡逻。超声换能器66类似于换能器24用于操纵换能器24避免超过范围68。同样也有一个被动红外传感器68和传感器28-38。微波传输和接收天线70和电视摄像机72在明显的入侵发生时也会启动，他们也包含在机头12内。 基座14主要包括可携带三个12V凝胶细胞电池82的底盘，这种电池只是其中的一种，在充满电的时候可以操控机器人12个小时或更长的时间。带有轮子16,18的卡车20,22，轮子分别从底盘悬挂80,同时安装上直角驱动器84，垂直驱动轴86和输入输出水平转动轴88。操作滑轮90，通过皮带94连接车轮16上垂直轴86的驱动轴96和与其对应的驱动轴98，由各自的驱动链轮100,102,104或者滑轮并且安装在底盘。机器人上装有一个带有电机110的编码器111用来监测机器人的速度。 一个惰轮112给皮带106提供适当的张力。三个额外的轴，只显示其中的99，同心轴86,96,98。并且分别由第二组滑轮或者是链轮120,122,124驱动用传动皮带126驱动链轮驱动转相关电动机130安装在底盘80。惰轮131用于维护皮带126张力。编码器132与电机130提供输出指示性转向的位置。转向电机穿过滑轮128连接扩展轴134的顶部的一个多元化的法兰安装孔134。在电子地盘136上安装三个螺母，电子底盘134上开通三个洞138容纳三个长的螺母144。电子机箱140包含所有的电子电路板和组件。例如项目中显示的基础组件，也包括下文中描述的状态模块。 当电子底盘140和脖子26被安装在他们各自的固定位置，扩展轴134和法兰136相关的结构通过电子底盘140的中心孔160和脖子26的开口处，头版170可能通过螺钉172安装在法兰螺纹孔138处。这样，整个头部都能在转向电动机130随卡夹 轮子同步转动。除了主要的微波传感器70还有三个额外的微波传感器190、330、332，只有其中一个。190清晰可见，距离头版170 90的距离安装在外壳192、194、196上。外壳194直接对着头部后面面向前方的微波传感器70，传感器334还包含一个传感器，不可见，这个传感器和红外传感器68相同。盖板200保护在头部170里面的电路板。所有的电气互联头12和基座14之间都通过滑轮连接在滑轮单元202上穿过基座14的安装扩展轴134。 如图三头部12包括三个电子部分：信标模块210，超声波模块212，入侵检测模块214。信标模块210响应头部的红外传感器60来确定是机器人的角信标64。这个角是通过滑轮装置202连接在主CPU218上的。超声波模块212对超声换能器66进行响应，在CPU218上的总线216提供范围信息。入侵者检测模块214响应四个微波传感器70、190、330、332，还有两个红外传感器68、334证明是否有入侵发生，这些事件通过主CPU内的报警确认单位220确认。身体部分14，包括状态模块222、移动模块224，超声波模块226还有CPU218。状态模块222响应六个传感器28-38来提供入侵的迹象。状态模块222也可以监控火灾和烟雾传感器，机器人中的诊断传感器，以及化学和气味传感器以及其他类型的传感器。手机模块224操作和监控驱动电动机110和转向电动机130的行动。24个超声波换能器24给超声波模块的身体226提供一个输入，指导机器人运动和规避的程序。最后身体14包含CPU218，除了报警确认单元220也连接软盘控制器，双通道串行I/O口和一个复位板还有CPU218，输出超声波重置按钮，汽车重置，状态重置，灯塔重置，I/O模块重置，超声波重置。CPU218也通过RF电路240接收从射频天线65输入的信号。 对各种传感器和传感器领域的高级视图如图4。24个超声波传感器拥有完整的360视野。六个红外传感器28,30,32,34,36,38提供了六个三角形的视野302,304,306,308,310,312并且两个红外线传感器68,334为头部14提供了狭窄的视野。还有四个微波传感器70,190,330,332提供视图和四个字段318,320,322,324。这些字段的垂直剖面描绘在图4中。微波传感器的视野延伸大约一百五十英尺，红外的头部延长约30英尺，并且在内部超声波也要延长大约25英尺。 根据本发明，超声波系统包括了超声波模块图226如图5，还包括Z80处理器等并且还有三个传感器的控制模块330,332,334，每一组驱动8个超声波传感器24。通信模块226与主机通过串行I/O接口连接如图3.并通过半导体的通讯电缆输入（SOUT）338，和每个传感器的输出（SIN）控制模块336。虽然每个传感器控制模块控制一组8个传感器24。实际上分布在所有三个传感器控制模块的内存库控制这些传感器。因此每个传感器标数为1就与数据库1对应，传感器2是数据库2，传感器3是数据库3.当数据库1被消除时，特定的内存库被激励，指令会通过电缆激励相应传感器。 微处理器的操作是由软件控制模块226控制，串行命令在步骤340处获得数据，图5B。CPU218中的微处理器226使计数器数据在下一步骤342被清除然后一个输入信号会在步骤344中生成。这个输入仅提供三个库中的一个，例如库1，增量计数器在步骤346中增加，问题在步骤348中被提问：输出是不是低电平？如果输出不是低电平，这意味着已返回的回声测距数据是可用的。因此计数器在步骤350处停止从这变成第一个库系统返回到线路352的344步骤第二库的常规重复。次循环重复进行所述的第三行，在系统步骤353之后累计的三个回波数据在步骤354中把三个数据库中的数据清除，系统在步骤中的数据发给主计算机CPU218。 本具体体现的测距系统被安装在基座14上的脖子26上，如图六，换能器24被安装在环25的外侧的进料传感器控制模块330,332,334也被安装在环25的外侧。超声波模块被安装在电子机架140，也被互联到三个传感器控制模块，这个模块是一个16针的传送带360。电源装置362也被安装在电子机架140上，并通过两线电缆364提供电压并且每个换能器控制模块都接地。每个换能器控制模块相对于图7A中的控制模块330。包括8个变压器驱动370，每一个驱动器都驱动八个传感器中单独的一个。整个模块被布置在8个集合中。有三个输入与门372,8个电压比较器374，8个触发器376，和八个总线驱动器378，还有一个时基序列发生器380还有一个或门382，其被设定在线路338的信号输入标识八个变压器驱动370和换能器24的特定一个，这三个输入中的一个能够识别相关联的换能器。与此同时，当任何一个输入信号出现在八条线中的任何一个，或门382都提供一个启动信号给时基序列发生器380。这同时提供了一个在线路384上的信号来设置所有八个触发器376，并且还在线路386的第二个输入在与门的第三个输入处提供一个100微秒启动脉冲，使得现在的50千赫时钟脉冲在线路388中将通过与门被传递，并出现在触发输入TRX指定的变压驱动器。在线路386中，四个50KHZ脉冲将被提供给所识别的变压器驱动的TRX输入。从而，所述驱动信号将被提供给换能器，产生超声波脉冲。超声波脉冲打在目标上回声返回到传感器并且收到变压器的驱动程序中，它提供了REC信号相关的八个电压比较器347之一。返回信号的集成，这个集成功能达到预定的水平使相关联的触发器374和电压比较器的触发器376重置。 操作模块330参照图7B的时序图可能会更好理解。当SOUT信号产生时他会提供一个初始信号的上升时间T1,这个初始信号回事触发器信号变低。同时在时间T1，打开时钟信号的启动信号和SIN信号。该启用信号在时间T2返回到零，所以只有一个脉冲经由四个脉冲段被传递到变压器当做驱动信号为TRX。换能器以TRX输入的结果的实际电压是由TRXDCR信号标记的电压所指示的。从这里，可以看出第四脉冲结束后振铃方式继续进行。他是只在振铃模式结束后安全返回的回波脉冲。这个回波脉冲，就像TRX脉冲一样，其实是包括了四个脉冲段。由于这四个返回的脉冲段都集成在REC信号的斜坡功能中。当斜坡达到规定的电压，如1.25伏特时，回拨的接收就完成了，同时清除信号从电压比较器374发从到触发器376，此时SIN信号也返回到零，并且在最后SOUT信号也返回到零。所述的变压器驱动电路，衰减振铃