機器人超聲測距數據的采集與處理

摘要：介紹一種基于單片機控制的三種超聲測距系統的構成、工作原理和誤差分析。利用本系統及其設計方法可以作為農業機器人輔助視覺系統。

關鍵詞：機器人 超聲波測距 單片機 串行通訊 數據采集

機器人作為一種能代替人工作業的智能機器，有著廣泛的應用前景。其關鍵技術取決于機器人視覺系統設計的精確與否。超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易實現等優點，被廣泛用作測距傳感器，實現定位及環境建模。越聲波測距作為輔助視覺系統與其他視覺系統（如CCD圖象傳感器）配合使用，可實現整個視覺功能[7]。

超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時間法：即D=CT/2，其中D為機器人與視測物之間的距離，C為聲波在介質中的傳播速度（C=331.4乘以根呈號(1+t/273)m/s，t為攝氏溫度），T為超聲發射到返回的時間間隔。本超聲測距系統共有3對超聲換能器，分別放在智能移動車的上、中、下三個位置上。本系統采用一片89C51單片機對三路超聲信號進行循環采集，并將數據送到數據緩沖區存儲[1,2]。上位機采用PC-586。當上位機需要數據時，向下位機發出申請，下位機通過中斷的方式向上位機發送數據。上位機與下位機通過RS-232串行口相連。

1 系統硬件設計

為了能在測量距離的同時判斷出物體的大致形狀，應設計成多傳感器測距系統。經分析可知，頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳；同時，為了方便處理，發射的超聲濾被調制成40kHz左右、具有一定間隔的調制脈沖波信號。該測距系統結構框圖如圖1所示。由圖可見，測距系統由超聲波發送、接收、時間計測、微機控制和溫度測量五個部分組成。

1.1 超聲波發送

這部分包括超聲波信號的產生、多路選擇及換能器等環節。

超聲波發送脈沖如圖2所示。40kHz的超聲波發送脈沖信號由單片機89C51的P1.0口送出，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為125μs～200μs，即在一個調制脈沖內包5～8個40kHz的方波。脈沖發送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數。本系統有三路測距通道，采用分時工作，按上、中、下的順序循環測距。若在有效測距范圍內有被測物的話，則在后一路超聲波束發出之前應當接收到前一路發同的反射波，否則認為前一路無被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發送時間。例如：最大測距范圍為5m時，脈沖間隔時間t=2s/v=2×5/340≈30ms，實際應取t≥30ms。

發送的超聲波脈沖經多路選擇開關CD4052按序分別送到上、中、下三路發送轉換能器上。采用緩沖器CD4050是考慮用其兩個門來驅動一路發送換能器，以加大發射驅動能力。

1.2 超聲波接收

這部分由接收換能器、多路選擇開關、比較及控制等環節組成。由于在距離較遠的情況下，聲的回波很弱，因而轉換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右。采有三級放大：前兩級種放大100倍，采用高速精密放大器LM318，其帶寬為15MHz，放大倍數為100倍時，能充分滿足要求；第三級采用LF353運算放大器，帶寬為4MHz，對于62倍的放大倍數，能充分滿足條件[3,6]。放大后的交流信號經光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形輸出一個方波信號，此方波信號上升沿使D觸發器觸發，向CPU發中斷申請。在中斷服務程序中，讀取時間計數器的計數值，并結合溫度換算出的速度算出發射到接收的距離。圖3給出了一路超聲波接收電路原理圖（略去多路選擇開關）。

1.3 時間計測

超過波從發射到接收的間隔時間的測定是由單片機內部的計數器T1來完成的。在調試過程中出現的發送部分與接收部分的直接串擾問題是由于換能器之間的距離不大，有部分聲波未經被測物就直接繞射到接收換能器上。從發射開始一直到“虛假反射波”結束[5]這段時間，通過控制觸發器(74LS74)不能觸發，從而不會發中斷申請，可有效躲避干擾，但也會形成所謂的“盲區”。本系統的盲區約為20cm左右。

1.4 微機控制部分

由單片機控制的多路選擇開在來決定上、中、下三個通道分時工作的順序。CD4052的X側選擇發送通道，Y側選擇接收通道，由89C51的P1.1和P1.2按順序發出通道選擇信號，接到CD4052的A、B端，使發送通道與接收通道一一對應地接能。

由于受環境溫度以及超聲固有寬波束角等因素的影響，超聲傳感器所測量的值與實際值總有一些誤差。本超聲測距系統采用曲線擬合的最小二乘法對測量數據進行擬合，使其精度達到±4cm。

2 系統軟件設計

2.1 超聲數據的采集與處理軟件

本系統軟件分兩部分：主程序和中斷服務程序。主程序完成系統初始化、選擇能路號、控制發射和接收超聲波等。主程序流程圖如圖4所示。

中斷服務程序包括內部T0中斷和外部INT0、INT1中斷服務程序。T0設置為30ms中斷一次，其任務就是每隔30ms產生5～8個40kHz的方波作為超聲脈沖并按序送到三個通道，即產生如圖2所示的超聲波發射脈沖，圖2也給出了一個通道的工作時序圖。T0中斷服務程序流程圖如圖5所示。INT0中斷子程序讀取A/D轉換結果，并將相應數據值轉換為環境溫度值；INT1停止T0、T1計數，根據T1內容計算時間T，并進行最終距離的計算。先計算超聲波傳播速度：C=331.4×（根號1+t/273），再計算距離：D=CT/2，并將計算結果送入緩沖區以備通訊。T1工作在方式2，并設計成門控方式。

2.2 串行通訊程序

為了不影響下拉機完成其他工作，本系統采用下位機以中斷的方式向上位機發送測距數據，在測距主程序中開串行口中斷。進入中斷程序后，仍采用查詢方式發送數據。

上位機（PC-586）以子程序的形式給出接收程序。若系統需要新的測距值時，就調用一次接收子程序。接收子程序框圖如圖6所示。接收子程序收到一個數據后，判斷數據傳輸是否有錯，若有錯就向下位機發“01”命令，下位機收到此命令后，則重表發送；若傳輸過程無錯，向下位機發送“00”命令，下位機則繼續發送下一個數據。

3 誤差分析

本系統最大測距誤差在8cm左右，測距的盲區為20cm。測距誤差主要來源于以下幾個方面：

（1）超聲波波束對探測目標的入射角的影響；

（2）超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發；

（3）超聲波傳播速度對測距的影響。穩定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質的特性。傳播媒質的溫度、壓力、密度對聲速都將產生直接的影響。因此需對聲速加以修正。對于測距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質溫度的變化。本文采用聲速預置和媒質溫度測量結合的方法對聲速進行修正，可有效地消除溫度變化對精度的影響。

影響測量誤差的因素很多，還包括現場環境干擾、時基脈沖頻率等。

本系統硬件簡單、容易實現、測距范圍比較大、測量誤差可以控制在±4cm左右。超聲測距系統向上位機發送數據和下位機的數據采集相互獨立，可以同時進行，保證了測距數據的實時性。