基于机器人的多路超声波测距系统设计研究

2006年第2期 信息技术

中图分类号:T B551 文献标识码:B 文章编号:1009-2552(2006)02-0103-03

基于机器人的多路超声波测距系统设计研究

栾昌海1,王　盟2

(1.天津大学,天津300072; 2.东营职业学院,东营257091)

摘　要:介绍了机器人采集环境信息的必要性以及超声波传感器在该方面存在的优势,具体说

明了8路超声波测距模块的软、硬件的设计方法,并利用大量的实验测试数据,通过最小二乘法对超声波传感器进行了拟合,建立了超声波传感器的测距方程,为超声波传感器的使用提供了较好的数学模型。提出了一种新的多路超声波传感器测距排列方式,同时给出了在AEF -II 型移动机器人中的实际应用。

关键词:移动机器人;超声波传感器;中断;最小二乘法

System of multi -channel ultrasonic distance

measurement based on robot

LUAN Chang 2hai 1,WANG Meng 2

(1.Tianjin U niversity ,Tianjin 300072,China ;2.Dongying V ocational College ,Dongying 257091,China)

Abstract :The paper introduces the necessity of the robot collecting the environment in formation and s ome ad 2vantages for ultras onic sens or ,explains the design method of s oftware and hardware ,distance measurement of ultras onic sens or is fitted with the least square method accordance to lots of measuring data ,and the equations of distance measurement are built.the mathematic m odel for using ultras onic sens or is als o given.It puts for 2ward a new disposed m ode ,and gives the actual application in AEF -II m obile robot.K ey w ords :m obile robot ;ultras onic sens or ;interruption ;least square method

在自主移动机器人系统中,机器人需要实时地采集环境信息,以实现避障、环境地图建立、定位、导航和路径规划等,这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到了实际的应用。其中,超声波传感器以其信息处理简单、速度快、性价比高和硬件实现方便等优势,被广泛地应用到移动机器人感知系统中。

1　硬件架构

本系统控制器使用M otorola 公司的8位微控制器MC68HC908G P32作为CPU ,超声波传感器采用接

收头,采用与发射头配对的UC M40的压电陶瓷传感器。MC68HC908G P32是MC68HC08系列微控制器

中的一种通用芯片,该系列芯片采用了0.35μm 工

艺,具有速度快、功能强、功耗小及价格低等优点,利用该系列芯片的输入捕捉功能,可以方便地实现本

系统中超声波回波信号的检测。整个系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构图

收稿日期:2005-08-23

作者简介:栾昌海(1964-),男,副教授,天津大学在读硕士,主要研

究方向为计算机控制技术。

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1.1　超声波的发射

超声波发射频率为40kH z,其脉冲信号由555定时器产生,40kH z的脉冲信号经三极管2222A驱动超声波发射头UC M40T。MC68HC908G P32的PT A口与555的引脚4连接,每个I/O口控制一路,以控制本路超声波发射器的发送与否。笔者采用独立的24V电源对三极管驱动电路供电,以增加超声波发射的能量和测量的精度。

1.2　超声波的接收

由于在距离较远的情况下,超声波的回波信号比较弱,接收头UC M40R的输出信号只有几毫伏,因此接收到的回波信号首先经过单电源运放OP07进行放大,放大倍数为1000倍。选频电路由音频译码器LM567实现,当检测到的信号中有接近于LM567设定的频率(即超声波工作频率40kH z),且达到一定幅值的回波时,LM567的输出引脚8由高电平变为低电平,即确认己检测到回波信号。最后经电压比较器LM311整型,输出给选通开关芯片C D4066。

1.3　多路选通控制模块的设计

多路选通控制模块的主要功能是控制接收回路的选通或关闭,接收到回波信号时产生触发脉冲输入到微控制器的输入捕捉通道,判断所接收到的回波信号的回路号。

当接收到回波信号时,在输入捕获引脚T1CH0 (PT D4)上发生一个指定的跳变沿(可以指定该跳变是上升沿或者下降沿),并产生输入捕捉中断。然而由于障碍物表面等因素的影响,回波信号往往不稳定,会接连出现几次跳变,在实际应用中,一般只利用第一个跳变沿,为了避免后续跳变的干扰,采用PTC0-4和PT D1-4分别控制双向选通开关芯片C D4066的控制端来控制接收回路的关闭与选通,当检测到第一个跳变沿后,进入中断,然后关闭该路的回波检测。回波信号经锁存器74LS373后,根据检测PT B口各位的电平高低,判断是哪一个或者是哪几个接收电路接收到的回波信号。

2　软件设计

2.1　多路超声波传感器测距模块

本系统的特点是超声波发射器逐个轮流发射,但多个接收器同时接收。数据采集模块主程序流程图如图2所示。

中断程序采用输入捕捉中断,输入捕捉是M o2 torola微控制器的一大特点。当外部事件和信号发生变化时,在指定的输入捕捉引脚上发生一个指定的跳变沿。定时器捕捉到特定的跳变沿后,把自由运行计数器当前的值锁存到输入捕捉寄存器,并产生输入捕捉中断,利用该中断可方便地记录回波信号的时间计数值。中断服务程序流程图如图3所示。输入捕捉中断处理程序非常简短,大约只用了20条指令,不到60个指令周期,而MC68HC908G P32单片机的总线频率8MH z,指令周期时间0.125μs,因此,即使因进入输入捕捉中断处理程序而延误了对后来回波的处理,但这种延误的时间根据计算不到8μs,由此引入的距离误差小于1.37mm,误差非常小,可以忽略不计

。

图2　

数据采集模块主程序流程图

图3　中断服务程序流程图

2.2　串行通信模块

由于移动机器人的避障、障碍物识别、环境地图建立、路径规划及定位等功能涉及的运算量都较大,这些功能的实现一般都是在上位机(即车载计算机)上进行,因此,需要建立微控制器与车载计算机的数据通信。笔者利用微控制器上的SCI接口,设计了

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