基于超声波传感器和红外传感器的移动机器人感测系统

)")".
探头系统误差修正 因压电材料易碎 并因密封 阻抗匹配等要求
超声换能器封装在探头外壳内 使压电材料与探头 表面有一定距离 这样会带来测量误差" 本文采用如 下方法测量 设压电材料与表面距离为 *' 将探头放 在离探头距离固定的障碍物前测量 距离分别为
*) *.*)*. +) +. 分别为超声波发射到接收的
./ 传 感 器 安 装 在 机 器 人 上 时 距 离 地 面 不 能 太 近
太近容易产生干扰信号 而且容易将可以翻越的障 碍物当成无法逾越的障碍物 " 传感器两探头间的距 离不能太远也不能太近 太远测量误差过大 太近 串扰信号过强" 本文中传感器距离地面的高度为
0. 12 传感器间宽度 *34 12" )") )")")
图) 超声波发射模块原理图
单 片 机 =6> 口 产 生 周 期 为 .4 C 的 调 制 脉 冲 波 经过 B&;('& 后在超声波传感器发射探头两端 输入反向同频脉冲 可以增大超声波传感器的发射 功 率 3 采用软件 延时方式 每 隔 一 段 时 间 发 射 一 次 通过定时器计算发射到接收信号所用的时间 从而 计算障碍物距离 3 发射间隔时间必须大于发射到接 收回波时间3 发射间隔时间越长 检测越可靠 时间 越 长声波衰减 越多 多次反 射信号 越 少 但 机 器 人对障碍物反应越慢 实时性越差3 实验表明 每次 只要发射 0 个 脉冲 就可 以 使 超 声 波 传 感 器 工 作 3 如发射脉冲波数太大 则发射能量增大 超声波衰
&
引
言
波测控系统应用于移动机器人上的研究 # 超声波传 感器在应用 领域的代表 作 是 !((7 年 美 国 的 =+>+ 火星探测 车上运用的 超声障碍 物 检 测 设 备 5$6# "&&& 年 ?4. 和 ?4@.5%6首次利用两组超声波传感器检测 障碍物表面形状及位置 # 其后 国内外很多学者也
板 放在超声波传感器正前方 超声波传感器可以 稳 定检测到最 远 障 碍 物 的 距 离 为 #!# $! 在 超 声 波 可达范围内 移动测量范围左右边线的夹角为 /- 左右 则超声波传感器扩散角 约为 /- 在空间 形 成 /- 的类圆锥体状声波场 /- 是距离超声波传感 器 ) $ 处的测量值 ! 测量结果如表 ) 所示 可见 测量结果精度高 重复性好 满足了移动机器人对 障碍物的测量要求!
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
时间" 则 *' 5 )6&,+) 8 +. 7 #9.*) 8 *./ 经过 多次测量后取平均值 本文中传感器 *' 为 & 22/
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超声波发射模块设计 外加信号频率等于两压电晶片的固有振动频
率时 将会发生共振 课题中采用的超声波传感器 中心频率为 &' :;< 因此在超声波发射电路中 通 过软件编程方式 对单片机 =9> 口置高和置低 产 生 &' :;< 脉 冲 信 号 输 出 到 发 射 电 路 中 " 由 于
超声波传感器是移动机器人避障 测距常用传 感器之一 # !((- 年 +./0 及 12345!6利用分立式超声 波传感器 设计了一套能使机器人沿墙走的测控系 统# !((7 年 8493:.;< 等人5"6进行了将复合频率超声
收稿日期 "&&,A&$A&$ 基金项目 南通市应用研究计划项目 B"&&7&"$ 南通大学自然科学基金项目 &7C&%7 作者简介 丁立军 !(7(A 男 嘉兴学院机电学院电气系助教 硕士 主要从事模式识别及智能检测技术方面的研究 #
?+!@A4) 单片机 =6> 口使用时能提供 .' 2? 灌电流
能力 而吸电流能力较小 所以用 B&;('& 来提高 其输出电 流的能力 保 证 &' :;< 的脉冲 信号有 一
#
超声波传感器测控系统设计
本课题采用分立式超声波传感器 $%&'()*+,定的来自百度文库率3 超声波发射模块原理图如图 ) 所示3
" $0 在红外辅助测距范围内 将盲区设置大点可
以提高系统可靠性而且不会影响测距 ! 盲区设置为
" $0 则盲区距离为 1 "&&-!--"2* 1 -!#). $! )!#
传感器的多次反射问题 当周围障碍物较杂乱的时候 超声波存在多次 反射现象 ! 实验中 将传感器指向房间一个堆有杂 乱物体的角落 超声波经过多次折射后 引起的接 收系统不断动作 ! 此时对单次测距影响不大 只需 增加盲区时间 在盲区时间过后感测到第一个脉冲 下降沿后 第一个下降沿是离传感器最近物体的反 射信号 就关闭单片机中断! 但对连续测距来说 两 次测距间必须保持一定时间间隔 等前一次发射的 超声波基本衰减消失后 再启动下一次测距!
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南通大学学报 自然科学版
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进行了基于超声波传感器的障碍物辨识的研究 " 超声波传感器测距有以下优点 纵向分辨率 较高 可识别透明 半透明及漫反射差的物体 可用于黑 暗 有 灰 尘 或 烟 雾 电 磁 干 扰 强 等 恶 劣 环 境中 基于超声波传感器的感测系统易于实现小 型化和集成化 " 超声波传感器最常用的测距方法是 回波探测法 " 但超声波传感器都存在测量盲区 测 量盲区是由于超声波传感器的串扰 控制器控制性 能 超声波传感器性能等多重因素引起 因此超声 波传感器无法检测近距离障碍物" 红外测距其 优点是无盲 区测 量 精 度 高 反 应 速度快 方向性强 但其缺点是受环境影响较大 探 测距离较近 " 因此本文设计了基于超声波传感器与 红外传感器的移动机器人感测系统 采用红外传感 器与超声波传感器互补 使机器人具有更大的感测 范围"
第7卷 第"期 &**, 年 ' 月
南通大学学报 自然科学版
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基于超声波传感器与红外传感器的 移动机器人感测系统研制
丁立军 ! 华
!# 嘉兴学院 浙江 嘉兴
'")'. . 12 该误差对 机器人避障 影响 不 大 因 此
本文采用测量值 % 代替真实值 $"
丁立军 等 5 基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制

减速度变慢 多次折射返回信号可能会使接收探头 误触发 ! 而且发射脉冲数 越多 串扰时 间越长 测 量盲区也越大 ! 因此本文中采用 " 个发射脉冲! 由于本文设计的测量电路发射功率较弱 最远 可测距离在 #!# $ 左右 如需测量更远距离 可将 单片机输出的调制波通过脉冲变压器升压后驱动 超声波探头%&'#(!
引起 发射信号未经反射就被接收探头感应到 ! 由 于 +,*-)-. 接收到超 声波反射信 号后 就 输 出 低 电 平 示波器采集到的串扰信号及有效信号如图 " 所 示 ! 可见超声波发射后 立即引起了接收探头误动 作 如果此时计算从发射到接收的时间后计算出的 距离为错误值! 因此在设计中必须给串扰信号加上加窗信号 加窗信号实质就是盲区信号 ! 盲区信号可以采用软 件延时打开中断的方法 在发射完闭后延时一段时 间避开串扰信号后再打开单片机外部中断! 为留有一定的裕量 本文将盲区时设置为
分立式超声波传感器测控系统设计 发射探头与接收探头的距离 设 ! 为传感器两探头中心距离 " 为超声波波 速 # 为超 声波传播时 间 $ 为障碍 物 距 离 传 感 器 的实际距离 " 发射探头与入射探头的距离越远 测 量误差越大 " 因此我们希望两探头尽量靠近 但两 探头距离较近 会存在串扰问题 " 在本文中两探头 中心的距离为 *"4 12 测量存在一定误差 实际距 离 $ 5 %. & !6. . ' 5 "#6. 但在单片机中执 行 该计算会 耗费很多资 源和时间 3 由 于 在 本 文 中 我们将盲区范围设置为 '34)* 2 因此两探头 距离 带来的最大误差为 ( *346.. ) 4)3* 7 4)"* 5
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超声波接收模块设计 如图 * 所示 超声波接收处理电路采用集成电
图"
示波器采集的 +,*-)-. 输出的串扰信号及有效信号
路 +,*-)-.%.(! +,*-)-. 接收到与其中心频率相符的 信号时 / 脚就输出低电平! / 脚输出的脉冲下降沿 和红外传感器测距信号相与后接单片机中断口!
亮 " 陈
峰"
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$!%&&! "# 南通大学 江苏 南通
摘
要 文章利用超声波传感器与红外传感器各自的优点 设计了基于超声波传感器和红外传感器的移动机器人
感测系统 # 该系统采用红外传感器补偿了超声波传感器的 检测盲区 使移动机器人具有更大的感测范围 # 文章完成 了感测系统软硬件设计 并进 行了详细的理论和 实 验 研 究 # 实 验 结 果 表 明 本 文 设 计 的 感 测 系 统 结 构 简 单 精 度 高 重复性好 成本低 具有普遍的应用意义和广泛的应用价值 # 关键词 超声波传感器 红外传感器 测距 移动机器人 中图分类号 )*"$" 文献标识码 + 文章编号 !"#$%&'() &**, *"+**!$%*-
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显示系统设计 显示系统可以进行人机交互相 也方便了本文
的测距实验 其模块如图 & 所示 ! 由于本系统最大
图* 超声波接收电路原理图
可测距离为 #!# $ 左右 采用 & 位数码管显示到毫 米精度 !
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分立式超声波传感器盲区的确定
)!/
分立式超声波传感器盲区主要是由信号串扰
探测范围和精度测量 在 空 旷 地 带 将 一 块 " 3$ " 3$ 的 方 形 塑 料