机器人多传感器测距系统研究与设计

1、第卷计算机应用年月文章编号：（）一移动机器人多传感器测距系统研究与设计梁毓明，徐立鸿（同济大学电子与信息工程学院，上海；江西理工大学机电工程学院，江西赣州）（）摘要：设计了多传感器测距系统的硬件电路和相应的软件，采用高速运放和高速比较器减小信号传输延时，用双比较器整形电路消除回波前沿时间误差，利用进行高速计时，对声速进行温度补偿，并对其盲区采用红外线测距传感器和碰撞开关进行弥补，提高超声波测距精度。实验表明，在近距离测量范围内，该超声波测距方法可以达到毫米级。这种测量系统可以满足机器人避障与定位的实际需要。关键词：超声波传感器；红外测距传感器；双比较器整形电路；中图分类号：；文献标志码：一，（

2、，螂，；，五，）：，：；引言距车体外沿的位置。移动机器人在行进中，可以探测其周围个方向上是否存在障碍物及其距机器人的距离。传感器是自主移动机器人系统必不可少的重要组成部分¨之一。在完全结构化的已知环境中，传感器系统用于引导机器人的运动，监控预期任务的执行，处理可能的意外情况；而在未知或动态变化的环境中，因为不能预先获知环境的信息，。、巧：，机器人完全依靠传感器系统实时感知环境，进行导航与定位。目前，用于机器人避障和测距的传感器有红外、超声波、激光及视觉传感器。激光传感器和视觉传感器价格昂贵，且对。泌。：一控制器的要求较高，而超声波传感器以其价格低廉、硬件容易廷”。、。、。实现等优点，

3、被广泛用作测距传感器，实现定位及环境建模。图超声波传感器和红外传感器布局由于超声波传感器测距存在盲区，其测距范围一般为超声波测距原理，为了弥补超声波传感器的盲区，增加了红外线测超声波测距原理如图所示。首先使超声波换能器向介距传感器。本系统所用的超声波传感器测距范围：质中发射声波信号，声波遇到被测物体后必有反射回来的声，红外测距传感器测距范围：。通过波作用于超声波换能器上。若已知介质中的声速为”，测得第合理安装传感器，并使红外测距传感器的盲区恰好在机器人的一个回波到达的时刻与发射声波时刻的时问差为，即可以按内部，而其量程覆盖超声波传感器的盲区；同时安装碰撞开关，式，计算超声波换能器与被测物体之间

4、的距离，测量以提高机器人探测障碍物的可靠性。测距系统将测量结果传送给上位机，由根据测量结果对机器人进行控制。距离一（），若时，则在本系统中，为了考虑成本与安装方便，而采用了收发一体的超声波传感器，系统测距原理则。本系统采用多个超声波传感器和红外传感器实现测距，常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体其布局如图所示。其中。（，）为超声波传感器中的传播速度为怛：和碰撞开关；：（，）为红外传感器。超声波传感器”。厢河云（）安装在机器人车体外沿边上，夕传感器安装在机器人内部式中为气体摩尔质量，为气体的比热比，为气体常数，收稿日期：一；修回日期：。基金项目：国家自然科学基金资助项目（）。作者简介

5、：粱毓明（一），男（壮族），广西来宾人。讲师，博士研究生，主要研究方向：智能自动化、移动机器人；徐立鸿（一），舅，山东日照人，教授，博士生导师，主要研究方向：智能自动化。月为热力学温度。梁毓明等：移动机器人多传感器测距系统研究与设计频率为，发射角（全角）为，分辨率高，探测范围：对于一定的气体、为定值。由式（）可知：声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高声速越大，温度越低声速越小。时，空气中声速的实验值为，空气中声速表达式为口。超声波测距电路原理框图如图所示。，其中为摄氏温度。为了消除或减少环境温度对测距的影响，提高超声波测距精度，在本系统中进行了温度补偿。图多传感器测距系统原理目标图超声波测

6、距原理工形电路红外测距原理红外线虽然波长比可见光长，但它仍然是一种光，它在空气中的传播速度仍然是×，通常情况下，红外线要探测的距离短，利用渡越时间法测量距离不能够获得准确的结果。的红外传测距感器都是基于三角测量原理，如图所示。红外发射器按照定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。反射回来的红外光线被光感应板检测到以后，会获得一个偏移值已；利用三角关系，在知道了偏移距，两透镜的中心矩，以及透镜的焦距，以后，传感器到物体的距离就可以通过几何关系计算出来了：。可以看到，当距离足够小时，值会相当大，超过光感应板的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离很

7、大时，值就会很小。这时光感应板能否分辨得出这个很小的值成为关键，也就是说光感应板的分辨率决定能不能获得足够精确的值。要检测越是远的物体，光感应板的分辨率要求就越高。双比较器整至蝌圜刨罩整杰孤丽要）电路三。二二彳。一超声波驱动电路一！一。！。生鳘嚣；熊妻图超声波测距电路原理内部逻辑电路设计在系统中主要完成超声波触发信号的产生、检波、计时、抗干扰逻辑。其内部逻辑电路设计实现的主要功能模块主要有：时序发生器模块、检波器模块、高速计数器模块、可变门槛控制模块、回波识别模块及其他一些辅助性的模块和功能，如图所示。时序发生器主要负责及外部所需要的时序信号的精确发生与控制。具体包括：超声波发射控制信号、接收

8、使能信号、清零信号、抗干扰控制所需要的一系列控制信号等。时序发生器是乃至整个变送器正常工作的基础。检波器负责对经电压比较器比较之后的信号进行高速处理，并对回波到达时刻进行精确捕捉。检波器有两个，分别接收双比较器整形电路之后的信号。高速计数器的主要功能是通过计数的方式检测渡越时间。在发出超声波触发信号的同时，高速计数器被启动，同时系统进入等待状态。超声波信号发出后到达被测界面之后发生反射，回波返回到超声波传感器之后，通过电压比较器和检波器后，检波器将给出一个回波到达信号，这个信号被输入高速计数器，使其停止。由于已知计数器的计数频率，则只要记录下计数器从发射到回波到达所计的数值，就可以计算出渡越时

9、间。系统中实际设计实现的高速计数器有两个，分别对回波到达双比较器整形电路发生翻转时间进行计时。可变门信号控制模块，由于超声波传感器为收发一体，为了避免振子余振对接收的影响，设立了两个门信号控制回波的接收。事实上，对在等待回波到达的过程中，不可避免会有干扰信号的出现，若出现较大干扰，则有可能造成误触发。设立了这个门信号之后，由于系统只在门信号有效的范围之内才进行接收，因此，门信号时间范围之外的干扰将不对系统造成影响，从而增强了系统抗干扰能力。回波识别模块，为进一步提高系统抗干扰能力，还在内部设计了一个回波识别功能，接收双比较器整形电路中的一路输出信号。由于换能器振子的余振，真实回波持续时间很长，

10、包含周期数也很多，一般要超过，而干扰波至弧、迄菁、沁、”“！口窗帕持亚而同例平。删线透镜光感应板图红外线测距原理系统硬件设计多传感器测距系统原理如图所示。其中温度采样电路用来采集环境温度，以对超声波声速进行温度补偿；模块用来管理路超声波的发射与接收”，并将所测得的时间传送给以计算出距离；路红外传感器用来测机器人距障碍物较短的距离，由驱动红外发射，并通过内部集成的位转换器对接收的信号进行采样，计算出距离；将所测得距离保存在中，并通过总线传送给上位机。当移动机器人需要探测其周围的障碍物时，上位机发送控制命令给处理器，由进行温度采集、红外线测距及控制对超声波的发射与接收。本系统中的处理器为【，芯片为

11、器件。超声波测距（信号的发射与接收电路）系统采用一收发一体的超声波传感器，中心多只有一两个周期，根据这一点设计了回波自动识别功能，主计算机应用年要思路就是根据回波包含周期数来判别检测到的是否是真实为比较器的阈值电平；。为第一个回波前沿所对应的传播回波：如果超过一定数目，则认为是真实回波并进行后续处时间，。为比较器翻转所对应的时问；：为比较器翻转时理，否则忽略本次接收。这样就保证了每次检测到的都是有对应的时间。将两比较器翻转点，连接并延长与横轴交于口效信号，减小了干扰波的影响。点，很容易求出点所对应的时间。，：为直接测量超声波信号发射得到的时间，通过几何分析可以求出点或点到点的时间超声波信号的发

12、射由输出的触发信号驱差。设口段的时间为曲，段的时间为。，则有下式成立：动超声波驱动电路并进行功率放大，并用放大后的信号去驱动超声换能器发出超声波。兽；垒：叫超声波信号接收超声波信号发射出去后遇到被测目标将发生反射，待回波返回至超声换能器之后，超声换能器的振子将接收到的声，：警（）、。一由式（）可得口点所对应的时间为：吣一（）、信号重新转化成微弱的电信号；接收电路负责对这个信号进其中：，为由基准电压电路提供的比较器参考电压，为已行滤波、放大、整形，将处理后输出的信号输入进行后知量；。，：为测量值。从图中可以看出以点所对应的时间续处理。接收电路由滤波放大电路和双比较器整形电路组代表回波前沿时间计算

13、测量距离，要比以，：直接计算成。距离，精度要明显提高，本系统中两个比较器的参考电压为：滤波放大电路。系统中，考虑到超声换能器输出阻抗比，。较大，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗。前置放大电路是一个由精密、高速宽带放大器构成的差动放大回波信号以器，再用高速运放对信号进行滤波放大，再送入双钟血么一一一比较器整形电路进行处理。由于采用收发一体传感器，因而恨时间，收发信号之间会产生干扰，较大的发送信号能量有可能直接进入接收电路，它要比回波大得多，因此前级放大电路会饱图双比较器整形电路工作原理和，电路工作不稳定。为此，接收信号放大器的输入端要接入）进行温度补偿。采用数字温度传感器，设置一对互为反向的

14、二极管进行箝位，以保护后面的放大电路。分辨率为，提高温度对声速的补偿精度。双比较器整形电路“。经滤波放大后的信号是正弦波信号，将该信号同时接人超高速比较器的两个比较系统软件设计器的反相输入端，而比较器的参考电压分别为的系统软件包括主程序、温度采集子程序、红外（提供的基准电压）和线信号采样子程序、超声波测距子程序、数据处理与打包子程（提供的基准电压）。双比较器整形电路的序、数据通信子程序、读写子程序、外部中断子程序输出的信号同时输入进行后续处理。和定时器中断子程序。此外，的配置由来实红外线传感器测距现，硬件连接上将，的、接本系统采用红外线测距传感器，其探测范地，同时将、。、围为，模拟量输出，且输

15、出电压与距离为非线性关分别与的相连。主程序完成初始化系。为了得到距离，需要对传感器输出信号进行采样，和各个子程序的调用，最后把测量结果传送给。本系统采用内部集成的位转换器。的主程序流程如图所示。配置程序至关重要，只有的输出引脚与接地引脚之间接的电容以滤掉配置成功了，才能进行超声波测距，配置程序流传感器输出中快速变化的尖峰脉冲，再送至）。程如图所示。进行。当需要测距时，由的口发出持续脚的高电平给供电，然后再进行采样。提高超声波测距精度的主要措施系统中分别对超声波测距以下采取措施，以提高系统测距精度：）采用高速的对超声波渡越时间进行测量。由于的运行速度很高，因此在回波到达时刻的捕捉及计时上可以达到

16、很高的精度。本系统采用了晶振，计数器为位，理论计时误差为一个时钟周期即，比起单纯使用单片机的斗级精度，大幅度地提高了计时精度。）采用高速运算放大器和超高速比较器以减小信号传输延时。通过高速运算放大器电路放大后的信号同时接入超高速比较器的两个比较器的反相输入端。一般超声图的主程序流程测距电路是用一个比较器检测回波信号，阀值固定，当测量距利用公司的进行设计，主要完成离较远时，由于回波信号弱会引起比较器翻转延迟，增大测量超声波触发信号的产生、检波、计时、抗干扰逻辑功能。误差，应用双比较器整形可以适当减小这种误差，其工作原理如图所示。实验结果与分析在图中，为峰值电压；为比较器的阈值电平；为了验证本文超

17、声波测距的测量精度的有效性，在实验月梁毓明等：移动机器人多传感器测距系统研究与设计室进行了实地测量。将文中的超声波测距（记为）距离，与未加温度补偿且直接将回波信号进行滤波放大再经过零比较器（元器件不变）后由位单片机进行测距（记为）的结果进行比较，如表所示，表中实测距离是用钢质卷尺测量得到的。从表中可看出，在量程范围内，的测量误差不随测量距离增大而明显增大，这与一般采用单比较器、无温度补偿、炉级时间测量精度的超声波测距量系统有明显区别；该误差具有随机性，实际测量时可通过多次测量取平均值的方法减小误差。传感器供电电压为，表中实际距离是用钢质卷尺测量得到的。从表中可看出，在量程范围内，测量误差变化较

18、大，用其作为精确的距离测量不妥。表红外线测距传感器的实验数据及其测量误差结语本文设计了移动机器人多传感器测距系统的硬件电路和相应的软件，并采用多种措施来提高超声波测距精度，对其盲区采用红外线测距传感器和碰撞开关进行弥补。实验表明，在近距离测量范围内，上述超声波测距方法精度可以达到级，可以满足机器人避障与定位的实际需要。参考文献：【】王火亮基于超声波传感器的智能吸尘机器人导航系统的研究【】杭州：浙江大学，【】金篆芷，王明时现代传感器技术【】北京：电子工业出版社，【】图配置程序流程【】：啉咖【】距离表超声波测距的实验数据实测距离距离巾坤亮，王建东，樊玮虹，等基于芯片的超声波红外线测距系统【】微处理

19、机。（）：距离实测距离距离【】陈大新，胡学同，周杏鹏利用改进超声波测距模块设计【】传感器技术，（）：【】微控制器使用指南一【】【一】：，一【】赵海鸣，卜英勇，王纪婵，等一种高精度超声波测距系统的研制【】湖南科技大学学报：自然科学版，（）：红外线测距传感器的实验数据如表所示，其中（上接第页）参考文献：【】”朗”【】【】许源视频语义特征提取算法研究【】上海：复旦大学，季春基于内容的视频检索中的关键帧提取技术【】情报杂志，（）：【】，（）【】【】唐冰，周美玉基于视频图像的既有线路地理信息系统【】铁路计算机应用，（）：【】鳅：，。：【】：，【】【】，：【一，（）：】，【】，【】，【，。：【】，。：（）：【】，【，【】【一】：【】，王炜，一个开放架构的数字视频【】梅承力，杨景涛，周源华基于空间数据结构的图像检索【】上海交通大学学报，（）：管理系统【】【】：移动机器人多传感器测距系统研究与设计作者：作者单位：梁毓明， 徐立鸿， LIANG Yu-ming， XU Li-hong梁毓明,LIANG Yu-ming(同济大学,电子与信息工程学院,上海,201804;江西理工大学,机电工程学院,江西,赣州,341000)， 徐立鸿,XU Li-hong(同济大学,