聲光探測技術在汽車定位中的應用

　 汽車定位系統用于檢測汽車停車位置參數和車箱幾何參數，為機械手在車箱范圍內作業提供平面坐標數據，是車載貨物自動作業控制系統的組成部分。目前的汽車定位系統多用齒輪傳動的機械移位紅外線掃描方式或基于視頻圖像的人工畫界方式，前者定位速度慢，后者定位精度低，可靠性差，都難以滿足實際定位對速度、精度和可靠性的要求。文中采用紅外線電子移位逐行高速掃描技術和超聲波測距技術實現汽車定位，具有可調定位速度和適應惡劣天氣的能力，還采用多種措施，提高系統的抗干擾能力和可維護性能，實現了快速、高精度、高可靠定位的目標。利用Delphi開發主控軟件，實現數據處理，完成定位結果的顯示、輸出，工作參數設置和狀態檢測，具有良好的開放性，方便與各種控制系統接口。

　　1 工作原理和系統組成

　　1.1 工作原理

　　以透射式紅外光電傳感器和超聲波測距裝置相結合可實現對平面區域內物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發射模塊和紅外接收模塊組成，當收發模塊之間有物體遮擋光路時，將改變接收模塊的接收狀態，據此可非接觸探測物體是否存在。

　　如果把多個發射模塊和多個接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發兩側對應位置上的紅外模塊一對一對地按順序輪流接通工作，對其間區域進行逐行掃描探測，則依據掃描結果不但可判斷該區域是否有物體存在，還可計算出物體的長度及其在該區域中的縱向相對位置。

　　超聲波測距通常采用渡越時間法，收發頭與被測物體之間的距離：

　　式中，v為超聲波在介質中的傳播速度；t為超聲波的往返時間間隔。分別在物體兩側標定位置安裝超聲波測距裝置，測出與物體的距離，就可計算出物體的寬度及其在該區域中的橫向相對位置。

　　1.2 系統組成

　　圖1為基于聲光探測的汽車定位系統的組成。

　　圖中單片機1、紅外發射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長度和縱向停車位置的測量。單片機2和4個超聲波測距裝置構成的測距系統，用于車箱寬度和橫向停車位置的測量。

圖1 系統組成

　　其中紅外發射陣列和紅外接收陣列安裝于工作區域兩側車箱中部的高度，分別由N個發射模塊和N個接收模塊組成，它們均勻平行排列，收發一一對應。4個超聲波測距裝置安裝在工作區域兩側，分成兩組，分別測量前部車箱和后部車箱。

　　主機對縱向檢測和橫向檢測的數據進行綜合處理和分析，判斷出工作區是否有車、哪種車型，并計算出汽車在區域中的停車位置參數和車箱幾何參數。

　　2 紅外線電子移位逐行掃描電路設計和調試

　　2.1 電路設計

　　圖2為紅外線電子移位逐行掃描電路。圖中只畫出一對紅外發射和接收模塊的電路，并略去脈沖發生器電路。脈沖發生器產生38 kHz的振蕩信號，經過低頻脈沖調制后，送入發射模塊。紅外發射模塊的電子開關在控制信號為高電平時導通，把脈沖發生器送來的信號發射出去；紅外接收模塊的電子開關也在控制信號為高電平時導通，把紅外接收頭的接收狀態輸出，送至單片機1。電子移位電路由74LSl64串聯組成，有N個輸出端子，每一個輸出端子控制一個紅外模塊。開關信號是一個高電平脈沖，每個移位時鐘周期向前移動一位。由于收發兩側移位時鐘同步，所以，收發兩側對應位置上的紅外模塊會一對一對地按順序輪流接通工作，由此達到電子移位逐行掃描的目的。

圖2 紅外線電子移位逐行掃描電路

　　2.2 掃描速度和精度處理

　　掃描速度主要取決于移位時鐘的周期出，完成一次掃描的時間：

　　該電路中在△f≥2 ms時，具有良好的接收可靠性。單片機l通過程序控制，可使△t一2～10 ms，以滿足不同掃描速度的需要。

　　紅外陣列中，相鄰模塊間距△Z就是縱向的最高定位精度。根據工作區域的縱向最大長度L的要求確定紅外陣列中模塊數量N，要求N×A／=L。

　　由于紅外陣列由N個功能相同的紅外模塊串聯而成，所以在制作時，以5～10個模塊做成一個電路板組件，并采用插拔式安裝結構，各個組件電路相同，可相互替換、任意串聯，既能滿足不同工作區長度的要求，也可盡量減少現場更換故障模塊所需的時間。

　　現場安裝時，需要分段校準，避免誤差累積。

　　2.3 掃描強度處理

　　在大霧或強降雨天氣，紅外線穿透能力下降，降低了紅外掃描的可靠性，通常以加大紅外發射功率來解決。為此，紅外掃描設置了普通、增強和超強三種掃描強度模式。普通模式的紅外掃描，紅外收發是“一對一”工作，同時只有1個紅外模塊發射，每次移動1位；增強模式的紅外掃描，紅外收發變為“一對二”工作，同時有2個相鄰紅外模塊發射，每次移動1位；超強模式的紅外掃描，紅外收發變為“一對三”工作，同時有3個相鄰紅外模塊發射。很顯然，后兩種模式的紅外發射功率分別是第一種模式的2倍和3倍。后兩種掃描模式的定位精度會有所降低，但最多不超過2△L。