农业机器人

AT89S52单片 机的 P3.5 口 发出 由 软件 分 频得 到的 40kHz频率的发送方波 。
图 2 超声 波发送电路 Fig.2 Thecircuitdiagramofultrasonictransmission
单片机最小系统的晶振电 路产生 12MHz的振荡 周期信号 。 因为 1个机器周期等于 12个振荡周期 , 则 计数周期为 T=(1 /(12 ×106 ))×12 =1μs, 是最短的 定时周期 。 在设 计中采 用脉冲 检测计 数法 , 定时 /计 数器 T1 用作超声波发送信号的定时控制 , 设计时定时 时间为 4ms。 T1 工作在方式 1, 计数位数为 16位 。采 用每 12次中断发射一组脉冲 , 即 48ms超声波发射一 次 , 这样最大允许测距范围可以达到 8m多 。 每次发
收稿 日期 : 2008 -06 -23 作者 简介 :高 云 (1974 -), 女 , 湖北 鄂 州人 , 在 读博 士 , (E-mail)
dongshan@mail.hzau.edu.cn。
测量时的环境状况得出超声波的传播速 度 c, 就可以 得出到目标障碍物的距离 。
2 测距系 统的硬件 实现及工 作原理
关 键 词 :超 声 波 测 距 ;农 业 机 器人 ;温 度 补偿 ;误 差 修正 因 子
中图分类号 : S122;TP24 文献标识码 :A
文 章编号 :1003 -188X(2009)04 -0076 -04
0 引 言
超声波传感器以其非接触性 、低价性以及硬件易 实现等优点 , 广泛应用于农业机器人 的测距装置 。 辅 助农业机器人的视觉系统具有机器人的定位 、导航和 农作物信 息的视觉 识别等功 能 。 提 高超声波 测距装 置的测量精度 , 能够提高农业机器人获取定位信息或 农作物信息的准确性 , 从一定程度上提高农业机器人 视觉系统的设计精度 。
1 超 声波测距 的基本原理
超声波测距 的方法 有多种 , 如 相位检 测法 、声波 幅值检测 法和渡越 时间检测 法等 。 相位检测 法虽然 精度高 , 但检测范 围有限 ;声波幅值检 测法易受反射 波的影响 [ 1] 。 本系 统采 用渡 越 时间 法来 测 量距 离 。 渡越时间法可以表述为 :设超声波发生器到目标障碍 物的距离为 L, 超声波在空气中的传播速度为 c, 声波 从超声波发射 到接收器 接收所经 历的渡越 时间设为 t, 则 L=ct/2[ 2] 。 因 此 , 只 需 要 测 出 时 间 t, 并 结 合
在算法中 用所测温 度对声速 进行补偿 。 由于 温度每
升高 1℃, 相应声速增大 0.607m/s, 0℃时声速准确值
是 331.45m/s, 得出温度 T(℃)与声速 c(m/s)的近似
公式为
c=331.45 +0.607T 测距系统的适用环境为农业环 境 , 为了得到更准
确的测距值, 其他因素对测距精度的影响不能忽略 ,
装位置 。 通过多次比较测量值与实际值之间的关系 ,
得出误差在一定距离范围内存在近似线性的关系 , 由
此得出误差修正因子的值 。 实际应 用中 , 误差修正因
子可以通过在 当前环境 中对固定 标准距离 的测量来
推出 。 在实验过程中 , 室温为 23.5℃的条件下 , 采用
的误差修正因子为 α=1.065。
通道 , 可以实现与上位计算机之间的 RS-232串口通
温度传感器选用 Dallas半导体公司的数字化温度 讯 。系统采用 TI公司的 MAX232 芯片实现 TTL电平
传感器 DS18B20, 其核心部 件是数 字温 度感应 器 , 可 与 RS-232电平 转换的连接 电路 。 通 过串口 通讯的
测距系统的核心器件采用 Atmel公司的 AT89S52 单片机 。 总体电路的组成结构由单片机最小系统 、超 声波发送模块 、超声 波接收 模块 、DS18B20 温度 检测 模块 、LED显示模块和串口通讯模块组成 。 硬件整体 结构如图 1所示 。
图 1 系统结构框图 Fig.1 Thediagram ofsystemstructure
(9, 10, 11, l2位 ), 其中最高位为符号位 , 这里采用的是
为了方便对测距装置的精度进行观测和调试 , 系
· 77·
2009 年 4月 农 机 化 研 究 第 4 期
统中采用 4 位共阴极的 7 段数码管对测量值进行显 示 , 显示的数据单位为毫米 , 显示范围为 1 ～ 9 999mm。 由于系统测距时精度问题 , 测量出数值的最后一位在 短时间内 跳跃性较 大 。 为 了得到较 稳定的测 量数据 并显示 , 采用多次数据取平均值的方法 , 将一段时间 里的 5次测量计算结果取平均值 , 并在 LED数码管上 进行延时显示 , 可以得到较稳定和准确的测量结果 。
3.2 减小误差 测量系统产生误差的影响因素如下 :一是在实际
测量中超声波传感器灵敏度的高低 ;二是在测量过程 中测量起始位置与 探头的压 电晶片所 在位置 之间的 距离 ;三是测温器件本身存在误差以及计算温度时用 的是近似公式等, 仍会使测量结果产生一定的误差。 另外 , 电磁 场的微变 、零件的摩擦 与间隙 、空气扰 动 、 气压 、湿度的变化和它们的综合影响都可以成为产生 误差的原因 。
射超声波的个数对测距范围和精度有一定影响 , 选择 每次发射器产生脉 冲宽度为 250μs, 载波为 40kHz的 8个脉冲的脉冲群 , 在发送的同时启动定时器 T0 开始 计时 。 2.3 超声波接收模块
超声波接收电路如图 3所示 。 由于超声波在测距 范围大于 5m的情况 下接收到的回 波信号非常弱 , Biblioteka Baidu 般只有几毫伏 , 所以为了有足够清晰和放大倍数的回 波信号 , 该部分采用了 双级低噪声 、高效能运 算放大 器 NE5532和具有集电极开路输出的晶体管结构的单 电压比较器 LM311, 组成具有滤波及整形功能的两级 放大电路 。放大器 NE5532是一种结合有很好的 DAC 和 ADC转换器特色的双级低噪 声与高效能运算放大 器 。它的主要特点是 噪声低 、输出驱 动能力 高 、单位 增益高 、输出 振幅带宽较大 、失真小 、转换 速率高 、有 输入保护的二 极管和输 出短路保 护等 。 单电压 比较 器 LM311 具 有 失 调 电 压平 衡 调 节 端 (或 用 作 选 通 端 ), 并且有连接负载多样性 、输入电流低及输出电流 可高达 50mA等特点 。
度 补 偿 及针 对 湿 度 、气 压 和硬 件 电 路 的精 度 等 其 他影 响 因 素 的误 差 修 正 因 子 补 偿 来 提 高 测 距 精 度 的 方 法 。 实 验
证 明 :该 系 统 能够 实 现 对 农作 物 的 精 确测 距 和 定 位 , 在一 定 程 度 上辅 助 农 业 机器 人 的 视 觉系 统 , 使 其 提 高精 度 。
否则会影响系统的测距精度 。 在声 速的计算中 , 采用
修正因子的方式来加以解决 。 修正后的 声速 c(单位
换算为 mm/μs)与温度 T关系为
c=(331.45 +0.607T)×0.001 ×α 式中 α—误差修正因子 。
具体影响误差修正因子大小的因素主要有环境湿
度 、环境压强 、硬件电路 的精度和超声 波传感器的安
3 测 距精度提 高的方法
3.1 温度补偿及误差修正 超声波在空气中的传播速度主要受到空气中的温
度 、湿度和压强的 影响 , 因此需要对空 气平均摩尔质 量和比热比值 γ进行修正 。 校正后的声速公式为 [ 4]
c= 331 .45
(1
+TT0 )(1
+0.319
2
Pw [ P
4]
式中 Pw—水蒸气的分压强 ;
测量中 , 每个 回波 对应于 一个测 距距离 , 由 于每 次测量时间会受到 无法预测 的不确定 因素干 扰而产
生测量误差 , 其绝对值和符号均不可预知, 故测距时 不能以一次测量的距离值为输出值 。 在软件算 法上 , 以每 5次测量值为一组进行优化 。优化的具体步骤 为 :首先 , 设一个求和参数 s0 , 将 5 次测量值进行两两 相减 , 若两个数值的差 值在 5mm内 , 则将两者的平均 值赋给 s0, 利用 s0 与 其余几个值进 行比较 ;若误差都 在 3mm内 , 则 将其 与 s0 相加 求 和 , 所得 的值 存在 s0 中 , 最后求出这几个值的平均值 。 这样进一步减小了 各个测量值之间的误差 , 得出一个更为准确的距离值 作为输出值 。 3.3 盲区
2.1 核心器件 AT89S52 AT89S52是 一个 低 功 耗 、高 性 能 且 具 有 CMOS
的 8位 单片 机 , 片内含 8kBytes的 ISP和可反复擦写 1 000次的 Flash只读程序 存储器 。 器件采用 ATMEL 公司的高 密度 和非 易失 性存 储技 术 制造 , 兼 容标 准 MCS-51指令系统及 80C51 引脚结构 。 芯片 内集成 了通用 8位中央处理器 , 可为许多嵌入式控制应用系 统提供高性价比的解决方案 [ 3] 。 2.2 超声波发送模块
发送电路主要用 1个六非门反向器 TC4069来提 高其输出电流 的驱动能 力, 如图 2 所示 。 频率为 40kHz左 右 的 超 声 波 在 空 气 中 传 播 的 效 率 最 佳 。
· 76·
2009 年 4月 农 机 化 研 究 第 4 期
P—大气压强 , 取 P=1.013 25 ×105 Pa;
T0 — T0 =273.15K; T—测量的空气温度 ;
c—经补偿后的声速 。
从上式可以看出 , 温度对声速的影响程度较湿度
和压强的 影响程度 要大 。 为了实现 系统的经 济性和
易实现性 , 系统只从硬件上采用了温度测量模块, 并
部中断口 INT0;触发单片机 进入外部中断 处理程序 , 高了系统的抗干扰性 , 适合于农业环境的温度测量 。
控制定时 /计数器 T0 停止计数 , 并通过计数值转换成 时间 , 然后调用测距计算模块进行距离计算 。
2.5 串口通讯模块 AT89S52单片机具有一个全双工 (UART)串行口
2.4 DS18 B2 0 温度 检 测模 块
图 3 超声波接收电路
Fig.3 Thecircuitdiagramofultrasonicreflection
具体实现 的方法是 :当 接收到回 波信号后 , 经放 10 位设置 , 温度的 最小分 辨率为 0.25℃。 环境 温度
大及整形处理得到标准方波信号 , 并送入单片机的外 直接以 “一线总线 ”的数字方式传输给单片机 , 大大提
本测距系统以 Atmel公司的 AT89S52单片机为核 心 , 使用 T/R40 型 压电式 超声波 传感器 作为 测量器 件 , 通过串口与上位计算机进行通讯传递测量数据 。 在设计中 , 采用 Dallas半导体公司的数字化温度传感 器 DS18B20对环境温度进行测量 , 结合温度补偿和误 差修正因子补偿对测距参数进行调节 , 在不增加系统 成本的基础上大大提高了测距的精度 。 实验表明 , 被 测物距离在 100 ～ 4 000mm时相 , 对误差能 够稳定在 10‰以内 。
完成对温度的测量 , 以 l6位带符号扩展的二进制补码 方式 , 将 测得的距离信 息传给上位计 算机 , 配 合上位
形式存储在 RAM的第 0和 1字节 , 测温范围为 -55 ～ 计算机实现机器人的机器视觉 。
+125℃, 测量精度为 ±0.5℃。 温度的读取有 4种设置 2.6 LED显示模块
2009 年 4月 农 机 化 研 究 第 4 期
农业机器人的超声波测距系统设计
高 云
(华 中 农 业 大学 工 程 技 术学 院 , 武 汉 43007 0)
摘 要 :设 计 了一 种 用 于 农业 机 器 人 的超 声 波 测 距系 统 ;分 析 了 系统 的 硬 件 组成 和 工 作 原理 ;提出 了 采 用 声 速 温