超声波测距系统在移动机器人中的设计与应用

1、    超声波测距系统在移动机器人中的设计与应用        陆 军， 米文龙， 朱齐丹， 王 时间:2008年04月21日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 超声波 移动机器人 测距 避障在移动机器人系统中，为完成移动机器人自

2、主避碰导航，需要建立移动机器人的测距避碰导航系统。超声波测距系统可以实现避障、定位、地图构建和路径规划的功能。但超声波传感器具有测距角度不大和方向性差的特点，一路超声波测距系统并不能完全满足高精度的测距与避障要求。为了达到高精度、高准确性的要求，可在移动机器人的硬件构架中增加测距电路的通道数，对单一传感器的角度局限性进行补偿。本系统采用12路超声波测距通道，利用角度补偿方式使得前方主要障碍物的方位与距离信息更加准确。超声波测距多采用渡越时间法，通过检测发射到返回的时间间隔进行距离的计算。由于时间与超声波通过的距离成正比，当超声波发射端发出几个振荡脉冲时，开始计时；而当超声波接收端接收到第一个返

3、回脉冲后，计时停止。测得距离值D=CT/2，其中D为传感器探头与被测物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度(C=331.4×m/s，t为摄氏温度)，T为超声发射到返回的时间间隔。1 基于超声波测距的机器人避障系统硬件框架机器人避障系统主要结构如图1所示。超声波测距系统感测距离，再将距离信息送入基于PC104的主机486/SX，并由主机支配机器人运动部分躲避障碍物，完成整个避障过程。1.1 超声波发送电路超声波的发送电路原理图如图2所示。来自单片机的信号A触发NE555定时器电路产生频率为40kHz左右方波信号，经过CD4069六非门反相器进行功率放大，驱动超声波发送传感器T40-1

4、6，发送超声波。1.2 超声波接收电路当超声波遇到障碍物返回时，超声波接收传感器R40-16接收回波，由于回波电压值只在毫伏量级，所以采用LM324的两级放大电路进行幅值放大，放大后的波形信号送到LM567集成锁相环路解码器，调节电阻与电容值，将频率f锁在40kHz(f=1/(1.1R11×C8)。当放大信号大于25mV时，就会在8引脚产生高电平信号B送到单片机处理。原理图如图3所示。1.3 MCS-51单片机控制电路单片机对收发电路的控制主要是对发射超声波控制电路进行计数初始化，单循环方式使12路发送电路依次发送和接收超声波，单独进行距离的时间计数。这样的目的是使计数程序避免受硬件

5、回波间的干扰影响，计数更准确。单片机只有8位的数据口，系统要对12路收发电路进行控制，故需要对单片机的I/O端口进行扩展。8255芯片有8位数据口，A、B、C三个输入输出端口，还有一个控制口。单片机的8位P1.0P1.7口与8255的D0D7相连接。而采用A口和C口低4位配合构成发送端口，12路输出A1A12正好满足系统设计要求，同时B口和C口高4位配合工作构成12路接收端口B1B12。利用Ai与Bi对应成为发送信号与回波信号，组成12路超声波测距收发通道。12路的数据信息通过8255芯片进行传递，对12路收发电路进行实时控制。单片机完成收发动作后就将计数器的计数值送到缓存区，等待与主机486

6、/SX间的串口通讯，达成协议后即可将计数值送入主机。串口通讯硬件电路由具有电平转换功能的MAX232芯片及外围元件组成。2 测距系统软件设计测距系统的软件主要实现单片机的收发控制及其与主机486/SX间的串口通讯。软件方框图如图5所示。测距软件主要是顺序循环进行，首先让第一通道发送200s的一段超声波，启动计数器。延时1.765ms的目的是为了避免超声波的虚假回波影响，产生错误距离信息。在延时后开始接收回波，如果有回波就停止计数并将计数值送到主机486/SX。如果在40ms内没有回波，停止计数并转入下一通道，说明该通道在测距范围内没有障碍物。40ms是由测距的最大距离决定的。这样就完成了一个通

7、道的测距计数功能，同理依次循环就可以得到12路的计数信息。计数值送到基于PC104的主机486/SX后与温度补偿模块测得的温度值一起通过公式完成对距离的计算。当主机486/SX获得周围的障碍物距离值后，将支配机器人的执行机构运动模块按最优路径运动。?3 超声波测距系统在移动机器人系统中的应用根据人类的自身特点，眼睛主要能看到前方大约180度的视野范围。所以在移动机器人硬件结构中笔者采用12路超声测距电路非均匀分布，移动机器人的前方分布6路、后方2路、左右各2路。前方6路与左右侧的两路呈等间隔角度分布，构成了180度的测距范围。左右两路和后方两路分布只对一定宽度的单方向进行距离测量。这种方式补偿

8、了由于单一测距电路的测距角度小而造成的动作误差，从而提高了获得距离信息的可信度和避障的精度。超声波测距电路分布简图如图6所示，其中每一黑色块代表一组收发电路，双向箭头表示超声波传递方向。本超声波系统的测距范围为30cm650cm，误差为±3cm。当提供的驱动功率增大时，最大测距增大，但此时盲区也将增大。由于机器人的自身尺寸限制，在1.765ms的盲区约30cm左右，已经很大。所以为了减小盲区，必须牺牲测距最大距离。测距系统仅仅能满足水平方向上的距离测量，实现单一的避障功能。本实验移动机器人系统还配备了全景视觉系统。全景视觉系统可以将环境内的物体图像记录于机器人主机中，并提供了环境障碍

9、物的纵向距离信息。通过测距系统与360度的全景视觉系统间的信息融合，可以进行地图的构建，实时定位，进而完成机器人的避障导航。通过对12路测距电路设计与调试，证明了采用非均匀分布方式有效地增加了移动机器人的探测角度，在一次循环测距后得到周围大范围的障碍物的距离信息，为避障动作提供了最优的运动路径。机器人获得的距离信息可信度高、方向性好、避障动作准确。在移动机器人的应用中很好地完成了避碰导航和地图构建任务。参考文献 1 应崇福.超声学M.北京：科学出版社，1998.2?胡伟.传感器接口技术M.北京：清华大学出版，1997.3?余永权单片机在工业控制中的应用M.北京：电子工业出版社,2000.4 ?赵珂高准确度超声波测距仪的研制传感器技术J,2003,(2).5?王福瑞单片微机测控系统设计大全M北京：北京航空航天大学出版社，19986?SHOVAL S，BORENSTEIN JUsing coded singals to benefit from ultr