1、機器人避障超聲波測距系統第一章緒論1.1 課題研究的背景及意義機器人技術是在新技術革命中迅速發展起來的一門新興學科,它在眾多的科技領域與生產部門中得到了廣泛的應用,并顯示出強大的生命力。它是集精密機械、光學、電子學、檢測、自動控制、計算機和人工智能等技術于一體,形成的一門綜合性的新技術學科。機器人的發展有很長的歷史,早在三國時代,諸葛亮造的“木牛流馬”就是古代機器人的一種雛形。機器人(robot一詞來源于 1920 年捷克作家卡雷爾查培克所編寫的戲劇中的人造勞動者,在那里機器人被描寫成像奴隸那樣進行勞動的機器。后來作為一種虛構的機械出現在許多作品中,代替人們去完成某些工作。在機器人發展歷史上,

2、存在兩條不同的技術路線:一條是日本和瑞典所走的“需求牽引,技術驅動”,他們把美國開拓的機器人,結合工業發展的需求,開發出一定系列特定應用的機器人,如弧焊、點焊、建筑等等,從而形成了龐大的機器人產業;另一條是把機器人作為研究人工智能的載體。看成是計算機科學的一部分,單純從技術上仿人的某些功能出發研究機器人。自從為了抓取放射性材料而設計制造的第一臺遙控機械手誕生至今已經有50多年了,而六十年代第一臺工業機器人問世也40多年了。之所以當初稱之為工業機器人是為了同虛構的機器人及玩具機器人加以區別。目前所說的機器人大多指工業機器人。第一代機器人,主要指只能以“示教-再現”方式工作的機器人。示教內容為機器

3、人操作機構的空間軌跡、作業條件、作業順序等。第二代機器人具有一定的感覺裝置,能獲取作業環境、操作對象的簡單信息,通過計算機處理、分析,機器人作出一定的推理,對動作進行反饋控制,表現出低級的智能。第三代機器人是指具有高度適應性的自治機器人,它具有多種感知功能,可進行復雜的邏輯思維判斷決策,在作業環境中獨立行動。作為“第三代機器人”的智能機器人是這樣一類機器人:機器人本身能對所處的工作環境、工作對象及其狀態做出反映,它能根據人給予的指令和“自身”對外界的了解來獨立的決定工作方法,利用操作機構和移動機構實現任務目標,并能適應工作環境的變化。自主式移動機器人也屬于智能機器人。關于移動機器人的研究涉及許

4、多方面。首先,要考慮移動方式,可以是輪式的、履帶式的、腿式的,對于水下移動機器人則是推進器。其次,必須考慮驅動器的控制,以使機器人達到期望的行為。第三,必須考慮導航和路徑規劃,對于后者,有更多的方面考慮,如傳感器信息融合、特征提取、避障和環境映射等。因此,移動機器人是一個集環境感知、動態決策、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統。在移動機器人自主行走的過程中,不可避免的會遇到一些障礙物,所以靈活、實時的避開這些障礙物是移動機器人必須擁有的一種基本能力。為了實現這種能力,移動機器人必須通過外部傳感器來收集周邊環境的信息數據并通過這些信息建立起外部環境的模型,從而實現類似于人的避障行為。在移動機

5、器人環境探測的過程中,人們多采用視覺系統探測周圍環境,并利用圖象信號分析處理技術獲得環境信息,從而引導機器人的運動。比如,由浙江大學研究開發的以美國 TROBOT 公司ATRV-2 為平臺的移動機器人,就是以放置在移動機器人上方的彩色CCD攝像機和安裝在內部微機主板上的圖象采集卡組成的視覺系統來探測前方障礙物。采用視覺系統避障可以獲得較完整的環境信息,但由于圖象處理運算量大,需要高性能的信號處理設備,致使這類系統體積較大、能耗高、實時性差。近年來,為了克服單純視覺系統在應用上的不足,人們開始研究采用其他非攝像類傳感器探測環境信息,直接采用多個廉價超聲波傳感器來進行測量。由于超聲波指向性強,能量

6、消耗緩慢,在介質中傳播的距離較遠,因而超聲波經常用于距離的測量,利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業實用的要求,因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。由于移動機器人具有一般機器人所不具備的移動能力,從而使之更具備“代替人”作業的實力。移動機器人在移動過程中不可避免會遇到各式各樣的障礙物,靈活、實時的躲開這些障礙物是衡量其性能的關鍵指標。具有避障功能的移動機器人擁有相當高的社會價值,被大量應用于航天、軍事、制造業、醫療、交通等。比如在制造業中,柔性裝配系統(FAS是柔性制造系統的主要組成部分。近年來,為響應產品換代的頻繁變化,FAS的構

7、形發生了很大變化,發達工業國家已出現了動態可重構形的柔性裝配系統,在這類系統中,眾多的具有避障功能的移動機器人代替了通用的傳送帶。同樣具有避障功能的移動機器人能給不能行走的殘疾人士帶來福音。現在,大多數殘疾人士使用電子輪椅,由于駕駛這種輪椅需要相當大的技巧,對于那些殘疾人士來說,靈活自如的駕駛這類輪椅將有一定的難度。而擁有自主導航和避障能力的移動機器人將輕易的解決這類問題。1.2國內外研究現狀從 80 年代開始,美國國防高級研究計劃局專門立項,制定了地面無人作戰平臺的戰略計劃。如 DARPR 的“戰略計算機”計劃中的自主地面車輛計劃。能源部制定了為期10 年的機器人和職能系統計劃,以及后來的空

8、間機器人計劃。美國 NASA 研究的火星探測機器人于 1997 年登上了火星。為了在火星上進行距離探測,又開始了新一代樣機的研制,命名為 Rocky7,并在 Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的試驗。美國的 MDARS 項目是在著名的保安機器人 ROBART 的基礎上建立的一個多移動機器人平臺,后來在指定地點執行隨機巡邏任務。德國研制了一種輪椅機器人,并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環境中和 1998 年漢諾威工業商品展覽會大廳環境中進行了超過36 小時的考驗,所表現出的性能是其它現存的輪椅機器人和移動機器人所不可比的。對機器人自主性的挑戰來自要求完成的任務以及高度非結構化和變

9、化的環境。在大多數室外環境中,要求機器人完全自主的完成任務目前還有一定的困難。遠程操作的半自動機器人,毫無疑問是一個發展方向,因此先進的遠程操作技術是將來必需的。國內在移動機器人的研究上起步較晚,大多數尚處于某個單項研究階段,主要的研究工作有:清華大學智能移動機器人于1994 年通過鑒定,涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規劃研究;基于傳感器信息的局部路徑規劃研究;路徑規劃的仿真技術研究;傳感器技術、信息融合技術研究;智能移動機器人的設計和實現。另外,還有中國科學院沈陽自動化研究所的 AGV和防暴機器人;中國科學院自動化自行設計、制造的全方位移動機器人視覺導航系統;哈爾濱工業大學于

10、1996 年研制成功了導游機器人。隨著汽車的普及,大中城市中的慢性堵塞和交通事故的增加已成為一個大的社會問題。尤其在高速公路上行駛的汽車,時速通常在100公里每小時以上,一旦出現險情,留給駕駛員的時間是很短的,世界各地,由于雨、霧等原因引起的高速公路上的惡性交通事故時有發生。如何利用汽車和道路的智能化來提高安全性能和交通效率已成為各發達國家關注的熱點。因此,目前移動機器人的研究開始偏向汽車的自主駕駛和輔助駕駛的研究。部分發達國家重要的研究計劃包括:美國: IVHS(智能車輛高速公路系統歐洲: AVS(先進安全車輛SSVS(超級靈巧車輛系統VICS(車輛信息和通信系統ARTS(先進道路運輸系統U

11、TMS(通用交通管理系統中國:THMR-V(清華大學這些計劃中,各極其重要的環節是能在汽車行駛過程中探測障礙物與行人,并發出報警、自動啟動剎車和避障的關鍵技術。1517 1.3本課題內容本文主要設計了機器人避障測距系統的硬件部分,主要有以下內容: (1了解機器人避障超聲波測距的研究背景,國內外發展狀況,提出課題的研究意義。(2對測距技術進行研究,就當前比較流行的激光測距技術和超聲波測距技術的原理進行探討,比較兩種測距的優缺點,針對本課題的實際,提出采用超聲波測距的優勢所在。(3提出系統硬件設計方案。初步探討了超聲波傳感器的工作原理。概括性地敘述了超聲波發送電路以及接收電路中的限幅、多路電子開關

12、、放大、濾波、整流以及比較等幾部分。由于在設計過程中為了使系統穩定,必須對串擾問題進行解決,為此,還介紹了串擾處理電路的設計,還把針對本課題的AT89C52單片機控制系統進行說明。(4簡單介紹了單片機的編程語言C51語言及軟件設計的流程圖。然后針對本課題提出軟件編程方案:采用模塊化設計,整個程序的編寫分主程序、發射子程序、中斷接收子程序、定時子程序等模塊進行。第二章機器人避障策略和測距方式的研究2.1 路徑規劃和避障策略所謂路徑規劃就是智能自主移動機器人能按照存儲在其內部的地圖信息,或根據外部環境所提供的一些引導(既通過對環境的實時探測所獲得的信息規劃出一條路徑,并能夠沿著該路徑在沒有人工干預

13、的情況下,移動到預定目標,同時完成預定任務。執行這個過程的算法就是路徑規劃算法。移動機器人有多種導航方式,根據環境信息的完整程度、導航指示信號類型、導航地域等因素的不同,可以分為基于地圖導航、基于路標導航、基于視覺導航、基于感知器導航等。目前還出現了其他的導航系統,如美國的GPS衛星導航系統。本文主要研究的基于超聲波傳感器避障屬于感知器導航。最優路徑的搜索既可以采用軟件的方法,也可以根據退火算法利用硬件來實現路徑規劃,這種方法雖不能保證所得的路徑絕對最優,但能以較小的時間代價來換取相對優化的路徑;基于環境拓撲特征的路徑規劃可以減少對地圖精確性的依賴,從而擴大路徑規劃的范圍。當移動機器人通過各種

14、傳感器獲得一定量的周圍環境信息時,如何利用這些有限的環境信息,來實現機器人的實時控制,一直是機器人研究者所關心的一個問題,這也是移動機器人進行實時避障所必須解決的一個難題。為此,許多新穎而實用的控制算法被提出來,在一定程度上解決了這個問題。他們一般能分為兩類:全局規劃與局部控制。在此,對幾種比較常用的控制算法作出簡單的介紹。由于移動機器人在避障過程中需要較強的實時性,所以要求控制算法具有較強的處理數據的能力,勢場法作為全局規劃方法的一種方面具有一定的優勢。對于勢場法而言,每一個障礙物都由一個二維的笛卡爾柵格來表示。目標位置對移動機器人產生一種虛擬的吸引力,而障礙物對機器人產生一種虛擬的排斥力。

15、這兩種力的合成就決定了移動機器人的運動。然而勢場法也具有自身的缺點,主要表現在 4 個方面:(1存在陷阱區域;(2在相近障礙物之間不能發現路徑(3在障礙物前振蕩;(4在狹窄通道中擺動。局部控制的方法主要應用在一個未知的環境中。它是一種完全基于傳感器信息的反映策略。因此機器人和環境中的障礙物的絕對坐標并不需要知道,但必須了解其相對位置及關系,所以大量的傳感器被利用來探測周邊的環境信息。但由于要處理大量的探測信息,因此實時性較差。最近幾年,人們發現要建立起移動機器人避障過程精確的數學模型非常困難,所以大家都把目光投向了模糊邏輯和神經網絡這兩種控制算法。這兩種方法的共同點在于易于表達某些難以精確描述

16、的規則。模糊邏輯適合表達模糊和定性知識,具有類似于人類思維的推理方式。神經網絡具有并行計算、容錯性和自學習等優點。這兩種方法的這些特點對移動機器人實現實時避障顯然比以往的控制算法更具有優勢。然而它們的缺點也很明顯:模糊邏輯的運算量隨規則數量的增加而成幾何級數增長,因而在模糊規則較多時難以付諸實施;神經網絡收斂速度比較慢,不適合表達知識,不能較好利用已有的經驗知識。針對上述情況,有些人提出把模糊邏輯與神經網絡結合起來,從而產生了一種新穎的控制算法模糊神經控制算法。由于模糊神經網絡能提供一種推理方法,能夠把模糊理論所具有的較強的推理能力與神經網所具有的自學習、自適應、容錯性和并行性相結合。模糊神經

17、網絡基于模糊規則的控制和決策系統已被較為廣泛地應用于各個領域之中。特別對于難于用精確數學模型表述的復雜系統如智能移動機器人的自主避障有明顯的效用。許多研究人員正是用這種方法取得了較大的進展。2.2 測距方式的研究在研究機器人的避障時,環境信息的采集是研究的關鍵問題。距離測量為移動機器人提供了周圍環境的二維或三維信息,是移動機器人中不可缺少的組成部分。移動機器人可以根據這些信息進行實時避障、導航和執行特定的任務。通常,對獲取這類環境信息的傳感器有兩方面的要求:一方面,需要有足夠大的視場來覆蓋整個工作區;另一方面,需要有足夠高的采集速率以保證在運動的環境中提供實時的信息。(1無源測距技術經典的距離

18、測量方法使用無源測距技術,我們稱之為被動方法,例如立體視覺和結構光方法:立體視覺:在機器人獲取信息的各種感知器中,視覺系統無疑是最重要的。從仿生學的角度來說,基于雙目視覺原理的立體視覺系統最接近生物體的視覺系統,但由于受到原理計算法的限制,測距精度和成象速度不能滿足要求。結構光測距:結構光測距的原理與光學測距法類似,使用單一光點或平面逐點測量從而獲得物體的完整的三維描述。這種方法雖然能夠產生比較精確的結果,但是其速度過慢而無法用于實時任務。在移動機器人的領域中,無源測距方法大都無法同時滿足可靠性或實用性的要求。有源測距技術使用主動傳感器替代被動傳感器,它由于具有以下的兩大優點而在實時機器人領域

19、顯示出誘人的魅力:A.主動傳感器不存在復雜的圖象匹配技術,不象立體視覺需要通過大量的計算獲取距離數據,因而實時性好,測距速度快;B.主動傳感器不易受到如天氣狀況、光照條件及表面標記、陰影、污漬等外界條件的影響。主動傳感器工作時不僅使用自然光照,它自身也對被測物體產生光照。此外,在多數主動傳感器系統中,有源光的發送和接受是同軸的,這就從本質上解決了結構光和立體視覺方法難于解決的“消失片段”問題。(2有源測距技術在有源測距技術中,常用的主動傳感器主要有超聲波、微波雷達和激光雷達三種。A.超聲波傳感器超聲波是一種只有少數生物(如蝙蝠、海豚才能感覺到的機械波,其頻率在20KHz以上,波長短,繞射小,能

20、定向傳播。它具有縱波(在氣、液、固中傳播、橫波(在固體中傳播和表面波(沿固體表面傳播三種波形,而且遇到雜質或傳播界面回產生明顯的反射。這種反射不是嚴格定向的,具有散射性。在移動機器人中應用的超聲波傳感器,是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性(縱波,通過接收自身反射的超聲波反射信號,根據超聲波發出和回波接收時間差及傳播速度,計算出傳播距離,從而得到障礙無物到機器人的距離。從發射波束特性知,由于擴散角的原因,使超聲波測距的角度分辨率較低,但距離分辨率較高。超聲波傳感器具有反應靈敏、探測速度快的優點,而且結構簡單,體積小,成本低,因而在目前已知的移動機器人中,多數都安裝了它,用于室內和室外近

21、距離避障。通常,以多個傳感器組成陣列形式,根據單個傳感器擴散角及反射特性。確定合理的密度,以覆蓋要求的探測區域。111總的來說,超聲波傳感器的造價低廉、速度快、距離分辨率較高,但其方向性差、鏡面反射嚴重、測距范圍小,因此,比較適用于室內環境的距離測量。B.紅外傳感器紅外線也是一種只有少數生物(如響尾蛇才能感覺到的光波,其波長為1nm1000nm,具有定向傳播和反射能力。盡管自然界中各種物體均能不同程度的釋放出紅外能量,但由于其波長和大小很難正確分辨,故移動機器人上的紅外傳感器,工作原理與超聲波傳感器類似,同樣采用發射固定波長的紅外線并接收同一回波的主動方式,其探測特性和超聲波傳感器恰好相反,即

22、角度分辨率高,而距離分辨率低。當然,它同樣具有靈敏度高、結構簡單、成本低等優點,因此在移動機器人中,常用作接近覺傳感器,探測臨近或突發運動障礙,便于機器人緊急停障。C.微波雷達微波是一種電磁波,其定向傳播及反射性能介于超聲波和激光之間。作為新型測距傳感器,其工作原理與超聲波傳感器相同。角度分辨率高于超聲波和紅外傳感器,低于激光傳感器,距離分辨率略高于超聲波傳感器。目前最大探測距離介于超聲波和激光測距之間,最小探測盲區距離略低于超聲波傳感器。微波雷達的優點是因目標的顏色、材質等不同而引起的反射率變化小,對霧的透過率高,受灰塵、霧、雨的影響小,在各種目標和氣候條件下都能比較穩定的進行探測。缺點是利

23、用車載的小型天線時因為不能形成尖銳的射束,所以不能進行高精度測角。一般很難進行高精度測位。另外,根據目前的電波法規定,微波一般是不能使用的,但是不久的將來,經過修改以后,這種規定會被解除的,這項高新技術的產品,已用于國外汽車倒車及高速公路車輛間距監測等實用技術領域,并開始安裝在新研制的移動機器人上,是一種很有前途的移動機器人深度信息傳感器。D.激光雷達近年來,激光雷達因具有測量速度快、測程遠、測距精度高、方向性好、鏡面反射小、造價適中等優點而受到廣泛重視。激光調制波的強度大,有利于遠距離目標的測量及目標與背景的區分;光速窄、平行性好、散射小,保證了很好的測距方向分辨率;一般為單一頻率的光波,光

24、譜比較純,保證了較高的信噪比。通過二維或三維的掃描激光束或光平面,激光測距雷達能夠以相對高的頻率提供大量準確的距離數據。激光測距雷達與其它距離傳感器相比,它能夠較好的同時考慮到精度要求和速度要求,特別是在移動機器人領域。它與傳統獲得深度信息的方法不同,激光測距雷達不僅可以在有環境光的情況下工作,也可以在無環境光中工作,而且在無環境光的情況下測量效果更好。3如上所述,超聲波測距技術是一種有源非接觸性測距技術,是利用超聲波在空氣中的定向傳播特性和固體反射特性,通過接收自身反射的超聲波反射信號,根據超聲波發出及回波接收時間差及傳播速度,計算出傳播距離,從而得到障礙物到機器人的距離。由于超聲波傳感器具

25、有成本低廉、采集速度快、距離分辨率高、質量輕、體積小、易于裝卸的優點,并且超聲波傳感器在采集環境信息時不存在復雜的圖象匹配技術,不需要通過大量的計算就可獲得數據,因而其測距速度快,實用性好。同時超聲波傳感器不易受到天氣條件、環境光照及障礙物陰影、表面粗糙度、裂縫等外界環境條件的影響。鑒于以上種種優點,使得超聲波傳感器在移動機器人的應用中具有很大的優勢。2.3超聲波測距原理(1超聲波超聲波是人耳聽不見的一種機械波,其頻率在20KHz以上,波長較短,繞射小,能夠成為射線而具有一定的方向性來傳播。超聲波頻率越高,就越與光波的某些特性(如反射、擴散等相似。超聲波的這些特性使其在檢測技術中獲得廣泛的應用

26、。 圖2-1 聲波的頻率界限 圖2-2 超聲波檢測技術應用表(2超聲波測距方法超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質中以恒定速率傳播的特性,而在不同媒質的界面,會產生反射現象。利用這一特性,就可以根據測量反射波與發射波之間的時間間隔,從而達到測量距離的作用。其主要有三種測量方法:1.相位檢測法相位檢測法雖然精度高,但檢測范圍有限2.聲波幅值檢測法聲波幅值檢測法易受反射波的影響3.渡越時間檢測法超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波,從而測出發射和接收回波的時間差t ,然后求出就可以計算出發射點距障礙物的距離:D = C T/ 2 (2-1 這就是渡越時間法測距機理

27、。式中:D 距離;C 聲波在介質中傳播的速度;T 聲波傳輸所用時間。聲波在空氣中傳輸速率為: 273/10T C C += (2-2式中:T 絕對溫度;0C 331.4 m/s 。在測距精度不是很高的情況下,一般認為C 為常數340m/s 。 圖表2.1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大,則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償的方法加以校正。 圖2-3 聲速與溫度關系表用于行走機器人上的超聲測距系統共有4對超聲波換能器,分別裝在前、后、左、右4個方向上。采用AT89C52單片機,由單片機定時向發射機發出控制信號,其脈沖寬度為0.25ms,同時啟動定

28、時器。發射機產生40KHz左右的調制脈沖,經換能器轉換為超聲波信號向前方空間發射。超聲波信號在空間中傳播遇到障礙物后,將反射回波。其反射波被接受機收到后,變成電信號脈沖,該信號經放大、濾波、整流、比較后,產生負脈沖觸發單片機外部中斷讀出此時定時器值,即得出超聲波在空氣中傳播的時間。再根據公式(2-1即可求得距離。12142.4 超聲波傳感器(1超聲波發生器超聲波發生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為

29、常用的是壓電式超聲波發生器。按收發方式又分兩類:一類是發射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器,此類傳感器測距有效范圍比較大,但不具備防塵、防水性能,如用于發射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R 。另一類是具有雙向的發射/接收功能的收發一體式超聲波傳感器,如R/S40,不僅用于發射超聲波,也用于接收超聲波,此類超聲波測距有效范圍比較小、防塵、防水性能好,主要用于汽車倒車雷達。根據本課題的需要,收發一體式超聲波傳感器。4(2壓電式超聲波發生器原理壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖2-4所示,它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信

30、號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。 圖2-4 超聲波傳感器結構綜上所述,選擇用超聲波傳感器來作為測量所用的傳感器,用渡越時間測距法作為測量的方法是完全可行的。2.5 小結本章主要分析了自主式移動機器人的避障方式、路徑規劃、測距方式以及介紹、對比了幾種常用的傳感器,分析了超聲波傳感器的選擇,論證了采用超聲波傳感器進行機器人避障測距方案的可行性。第三章系統硬件設計3.1測距電路的硬件系統 圖31所示測距電路方框圖為

31、了能測量不同方向的障礙物,將超聲波測距系統設計為多傳感器系統,如圖31所示,測距系統包括超聲波發送、回波信號接收處理、單片機控制幾個部分。3.2 主芯片的選擇由于2K字節的89C2051和4K字節的AT89C51的內存不滿足軟件程序的要求而選擇8K字節的AT89C52作為這次設計的主芯片。AT89C52單片機是整個電路的核心部分,它是一個低電壓,高性能COMS 8位單片機,片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產,兼容標準MCS-51指令系統,片內置通用8位中央處理器和F

32、lash存儲單元. AT89C52有40個引腳,32個外部雙向輸入/輸出(I/O端口,同時內含2個外中斷口,3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口,2個讀寫口線, AT89C52可以按照常規方法進行編程,也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起,特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。其引腳圖如下: 圖3-2 AT89C52引腳圖3.3運算放大器的選用TL084是JFET輸入高阻運算放大器,雙列直插封裝的四運放,外形如圖3-3所示: 圖3-3 TL084運放外形圖它具有寬共模和差模范圍、低失調電流(低偏置電流、低溫漂和高轉換速率,而且功耗較小,并

33、具有內部頻率補償和輸出短路保護。圖3-4是TL084開環放大增益與頻率的曲線圖,當f = 40kHz時,從曲線關系圖中可以查到開環放大倍數86,可以滿足放大電路與濾波電路的設計要求。 圖3-4 TL084開環放大增益與頻率的曲線圖如果運放工作在線性工作區,一般都需要正負電源給運放供電,為了優化電路的設計及降低成本,此次設計采用單一電源供電,通過提升運放“虛地”電壓來解決雙電源供電的問題。具體工作原理是這樣的: TL084的VCC+端接8V電源,VCC-端接地,運放的“虛地”端電壓為4V,相對“虛地”端而言,VCC+端的電壓為4V,VCC-端的電壓為-4V,這樣達到了正負電源供電的效果。3.4超

34、聲波發送電路超聲波發送電路包括超聲波信號產生電路、多路選擇開關電路及發送換能器等部分。超聲波換能器振子頻率為40 KHz,它與電路的振蕩頻率一致。電路由40KHz振蕩電路與超聲波激勵電路組成,振蕩電路采用74HC00中三個與非門與電容和電阻構。將信號產生電路與單片機的P1.4相連,控制發送脈沖寬度。振蕩電路產生的超聲波信號輸出到三極管的基極,經三極放大及耦合升壓后,送超聲波換能器向空間發射超聲波,持續發射250us。耦合管原、副邊的匝數比為1: 20,當發射超聲波的時候,換能器兩端的Vp-p值接近100V,有效地增加了超聲波換能器的發射能量。 圖3-5超聲波發送電路3.5超聲波接收電路超聲波接

35、收電路由限幅、多路電子開關、放大、濾波、整流以及比較等幾部分組成。(1限幅電路當反射距離的遠近程度相差很大時,超聲波換能器產生的回波信號的幅度也相差甚大。為了能有效處理遠距離的微弱回波信號,放大部分的總增益比較高。然而當反射距離很近時,回波信號幅度很大,如果直接傳送到放大處理電路,可能使整個系統過渡飽和,因此在前端需加限幅電路。 圖3-6 限幅電路(2多路電子開關因為有4路超聲波信號,所以采用CD4052多路電子開關。CD4052有A0、A1兩個二進制控制輸入端和INH輸入,當INH輸入端為”1”時,所有通道截止。二位二進制輸入信號選通4對通道中的一對通道,可連接該輸入端至輸出。CD4052的

36、INH引腳連至AT89C52的P1.3引腳, A0引腳連至AT89C52的P1.6引腳,A1引腳連至AT89C52的P1.7引腳. 圖3-7 CD4052多路電子開關(3交流耦合放大電路放大電路是超聲波回波信號的處理電路中關鍵的部分之一。為了達到3米的有效測距范圍,對遠處返回的微弱的回波信號必須給予足夠的放大,因此整個系統的最大增益不小于1萬倍。 圖3-8 交流耦合放大電路上圖所示的是最簡單的交流放大器之一,其閉環增益為:11110/1(C R s s R R s E E F +-=直流增益為零,而高頻增益接近-R F /R 1,低端的截止頻率為:1121C R fc =直流輸出失調電壓Eos

37、 等于直流輸入失調電壓加上由于偏置電流流過RF 產生的直流失調電壓為:F R R I Vos Eos +=(4濾波電路為了使整個系統的性能穩定,必須在中間級加有源帶通濾波電路。濾波電路設計是最關鍵的一個環節,也是整個系統設計中最難的環節,此電路中各無源阻容參數的選取既要滿足設計通帶的要求,還要避免整個系統的自激振蕩。 圖3-9 濾波電路根據要求,現需要設計一個有源帶通阻容濾波器,因此選定Y1、Y2、Y5為電阻,Y3、Y4為電容。(參考現代集成電路為了設計計算上的簡化,現將圖3-9的電路參數用圖3-10所示的參數表示。 圖3-10 多反饋環濾波器電路參照相關的計算公式,可得到簡化方程組:1(21

38、0b abRC f += b b a aQ 1(1+= (3.1aCRB 1= 20aH =超聲波傳感器的工作頻率已經選定為40kHz ,第二級增益A 2=16.5,濾波器的設計帶寬為4kHz ,本次設計條件是:f 0 = 40KHz ,Q =10,H 0=16.5,電容C 的參數選定為C =1000pF 。根據以上設定的初始條件,結合方程組3.1,可以設計計算:Q f B 0=4kHz02H a = 31aCBR 1=1.96k aQ ab -=24=0.084 因此可以得到圖3-10所示的元件值(經系列標準化:C =1000pF ,R1=2K ,R2=200,R5=62K 。(5運放精密整

39、流電路 圖3-11 運放精密整流電路圖3-11是全波精密整流電路,它是由半波整流電路和加法電路組成的。其工作原理是:1、當輸入電壓Vin 大于零時,運放U2A 輸出為負電壓,D1截至,D2導通,Vin Ea -=而運放U1A 組成加法電路,可求出VoutVin Vin Vin Ea R R Vin R R Vout =+-=-+-=2*26(*462、當輸入電壓Vin 小于零時,運放U2A 輸出為正電壓,D1導通,D2截至,R2中無電流流過,Ea=0;可以求出VoutVinVin R R Vout -=-=*46根據以上分析可知,精密整流電路就是絕對值電路,Vout = |Vin|;這樣的理想

40、整流電路不用考慮二極管的壓降,可以有效的檢測出小信號的變化了。3.6處理串擾問題的電路由于發射與接收都是同一個傳感器,發射超聲波的時候,40kHz 的發射波直接經過電阻輸送到接收信號處理電路,使單片機系統誤認為已經接收到回波(虛擬反射波,這一現象稱為“串擾問題”。“串擾問題”使單片機系統誤認為已經接受到回波信號,導致系統不能正常工作,為了解決“串擾”問題,設計這樣的電路。其工作原理是:在信號處理電路最后一級比較電路中,Vout 為來自精密整流的輸出端。當單片機外部引腳P1.4發射40kHz 脈沖群時,單片機P1.5端保持15ms 低電平,即運放的同相輸入端保持+8V 高電壓,此電平高于運放反相

41、端的輸入電壓,可靠地保證運放輸出為高電平,不會向CPU 申請中斷,這樣解決了“串擾”問題。但從發射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間,由于強制比較電路輸出高電平,將引起了30cm 的測距“盲區”。 圖3-12 處理串擾問題的電路3.7小結本章給出了基于AT89C52單片機設計的超聲波測距原理框圖,概括性地敘述了超聲波發送電路以及接收電路中的限幅、多路電子開關、放大、濾波、整流以及比較等幾部分。由于在設計過程中為了使系統穩定,必須對串擾問題進行解決,為此,本章還介紹了串擾處理電路的設計。第四章系統軟件設計4.1 超聲波測距系統的軟件控制原理超聲波測距系統就是用AT89C52單片機開發設計的,主

42、程序流程圖如圖4-1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40ms中斷一次,其任務是每隔40ms產生4個40kHz的超聲波脈沖并按順序送到四個通道的超聲換能器。T0中斷服務程序流程圖如圖4-2所示,先禁止T0中斷且EX0清零,然后通道號+1并啟動T0和T1開始計數,經過短暫盲區延時后開中斷。INT1中斷子程序讀取溫度傳感器的A/D 轉換結果,并將相應數據換算為環境溫度值t 。INT0停止T1計數,根據T1讀數計算渡越時間T ,并進行距離的計算。先計算超聲波在當前環境下傳播速度:C =331.4273/1t ,再計算距離:D =CT/2,并將計算結果送

43、入顯示緩沖區。 圖4-1 主程序流程圖 圖4-2 T0中斷子程序流程圖4.2 機器人控制系統與接口機器人的機械結構分為攝像機運動控制部分、行走部分。機器人的控制系統采用分散式控制方式,如圖4-3所示。 圖4-3 集散式多機控制系統通信結構簡圖統由1個上位機和3個下位機組成,主控機完成機器人各個部分的協調控制、機器人運動策略的計算和分析,行走伺服下位機完成機器人行走伺服控制,包括機器人的行走、急停、轉彎等,攝象機下位機完成攝象機的旋轉運動功能,超聲波測距下位機完成機器人在行走過程中對方障礙物的檢測功能,以供機器人作出運動策略的分析。所有的處理器均采用AT89C52單片機,各個部分通過串口多機通信

44、來完成信息交換。上位機各下位機 圖4-4 多機通信的邏輯框圖控制系統中主控機的主要任務是完成對各下位機的協調控制,因此其中關鍵的控制任務是多機通信控制,多機通信程序首先對串行口進行初始化,在需要進行通信的時候,發送需要通信的下位機的地址,由下位機確認上位機是否確實要與自己通信,然后進行軟握手,就是首先由主控機再次發送一個字符串,下位機將接收到的字符串回送到上位機,當上位機接收到的字符與發送的字符一樣的時候就停止發送,否則繼續發送字符,具體通信的程序框圖如圖4-4所示。當上位機要最新測距數據時,下位機以中斷的方式向上位機發送數據。本系統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

45、送數據。下面給出下位機響應串行中斷程序: void rec(void interrupt 4 using 2 unsigned char temp;static bit adr;if(RI RI=0;temp=SBUF;If(temp=SLAVE /*接收地址與本機相符*/ SM2=0; /*取消監聽狀態*/SBUF=temp; /*從機地址發回*/ adr=1; else if(adr BUF=arrtltemp; /*向上位機發送所要求的數據*/adr=0; SM2=1; /*恢復監聽狀態*/else adr=0; SM2=1;if(TI TI=0;4.3 小結本章分析了機器人超聲波測距的

46、軟件控制原理及與上位機的接口設計,由于軟件部分主要由本組另一位同學完成,故只作了簡單的分析。第五章 誤差分析與調試5.1 誤差來源分析由超聲波測距原理可知,它是基于聲波速度不隨頻率變化為基礎的,利用聲波行進于待測距離的時間為測量參量確定待測間距。主要誤差來源有:(1聲波速度變化引起的誤差,這與空氣的元素含量以及空氣溫度有關。由聲波傳播速度M TR C =可知,聲速是與空氣的分子量與M 以及空氣溫度T 有關。(2脈沖計數頻率的穩定性是直接導致“等效標準尺”長度變化的因素。由測長誤差關系式f m L m f C N m f f L /2=可得,當脈沖頻率準確到10-5時,如果測量距離L 是100米

47、的話,L m =0.001米,此誤差遠小于超生測長誤差。(3開關門的可靠性是標志超聲波測距可靠性的關鍵,即同步門控制。也就是說,超聲波發射與脈沖計數必須同步開門。所以,非同步性帶來的隨機誤差會影響結果。5.2結果圖組下面我們將通過這次設計所得的測試結果圖片來說明所設計的超聲波測距系統的調試過程。首先是發射波形的,如圖5-1所示。 圖5-1 發射波形由圖可見,振蕩電路在產生頻率為40 KHz 的超聲波信號,持續時間為250us 。振蕩電路產生的超聲波信號先輸出到二極管的基極,再經二極管放大及變壓器耦合升壓后,送超聲波換能器MA40A5S向空間發射超聲波。發射波形與接收波形的時間間隔如圖5-2所示

48、,由這幅圖可說明超聲波的測距原理。從這幅圖可以看見,發射波形和接收波形之間是有一段間隔的,這段間隔就是振蕩電路發出超聲波信號到接收電路接收到反射信號的時間間隔。在啟動發射電路的同時觸發單片機的內部的定時器T0。利用定時器計數功能記錄超聲波發射的時間和收到發射波的時間。當收到回波信號后,接收電路輸出端產生一個負跳變,在INT0或INT1端產生一個中斷請求信號。單片機響應外部中斷請求,執行外部中斷服務子程序,讀取時間差。 圖5-2 發射波形與接受波形的時間間隔如圖5-3所示是產生高波盲區的波形。這個波形表示的是為了解決“串擾”問題,從發射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間,由強制比較電路輸出高電

49、平,而引起的30cm的測距“盲區”波形。 圖5-3 產生高波盲區的波形圖5.3尚存在的問題這是機器人測距系統里的一部分,它的要求是很高的,其精確度越高越好,但是由于實驗室的條件問題和人工焊接問題使我們還達不到這樣的要求。再有就是此測距原理本身的缺陷,超聲波測距對于小范圍的測距還是適用的,但對于科研領域就還有很大的欠缺了。而我們知道超聲波畢竟還是波,它的傳播也受溫度的影響,這對于小范圍的測距來說誤差就很大了,而本設計里沒有溫度補償處理電路,這就不可避免的一定有誤差了。且本設計里用的是收發一體式超聲波傳感器,它的發射與接受都是同一傳感器,這也難免會出現干擾信號而產生誤差。還有就是設計里傳感器接收到

50、的信號是非常微弱的,傳感器難免會把一些外在的干擾信號當作有用信號而造成誤差。即使接收到的信號是有用的,本設計里的信號處理放大電路也還應該更精確。總的來說,本設計里的測距方法用在科研領域就還有待改進,不過把它用在小玩具機器人上那還是很不錯的。致謝在本次設計過程中,我得到了來自學校、院里等方面的幫助,成功的完成了自己畢業設計,達到了應有的目標。在這里特向以下單位和個人致以本人最誠摯的謝意。首先,感謝學校能夠提供我們一個這樣鍛煉和提高自己能力的機會,使得我們在走入社會之前有了一個深刻的實踐經驗的體會。這次設計不但檢驗了自己的知識結構,證實了自己的能力,使自己在進入工作崗位之前有了一次對于工作的直觀評

51、估和體會,而且使我們對自己的實踐能力建立一些信心。其 大 ， 別感謝 嚴格 那樣 論 導 督 導 師， 個設計過 感 給 ， 幫 ， 求 對學術 嚴謹態度， 么 ， ，都 得 們 己 認真 態度去對待， 畢業設計得 順 耐 起 。 還 問題，幫 ， 起給 設計過 問題 學 幫 到 煩 時 ， 總 ， 得 師都 決問題。 感謝，還 關鍵 得到 們 寶貴建 同學們， 課題 議，謝謝你們！ 參考 1 1999 2 獻 杰 .單 機 及應 M . :機械工業 ， .單 ，2002 計 機與機電 口技術M. 京:國 工業 3 譚 1996 年 . 傳感器應 電 M. :電 科技大學 ， 4 趙負圖 .現代傳感器 5 大學 趙 ，1997 電 M. 京: M. 郵電 : ， 2000 國科學技術 .傳感器技術及其應 36 6 獻 7 電 張 ，1996 .傳感器應 及其 口電 M. 京:科學技術 愛鈞.單 機高級語 工業 ，2001 強 . C語 ，賈青. C51Windows 環境編 及應 M . 京: 8 譚 9 謝劍 ，2001 10 孫傳 大學 11 設計M . 京：清華大學 計 機控 技術M. ，1999 京：國 工業 ，孫曉 等. 測控系統 ，2002 線與 聲 遙控. 與設計M. 京： 京 空 蘇長贊。紅 郵電 .2002 年 12 紀