1、第卷計算機(jī)應(yīng)用年月文章編號：（）一移動機(jī)器人多傳感器測距系統(tǒng)研究與設(shè)計梁毓明，徐立鴻（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海；江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州）（）摘要：設(shè)計了多傳感器測距系統(tǒng)的硬件電路和相應(yīng)的軟件，采用高速運(yùn)放和高速比較器減小信號傳輸延時，用雙比較器整形電路消除回波前沿時間誤差，利用進(jìn)行高速計時，對聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并對其盲區(qū)采用紅外線測距傳感器和碰撞開關(guān)進(jìn)行彌補(bǔ)，提高超聲波測距精度。實(shí)驗(yàn)表明，在近距離測量范圍內(nèi)，該超聲波測距方法可以達(dá)到毫米級。這種測量系統(tǒng)可以滿足機(jī)器人避障與定位的實(shí)際需要。關(guān)鍵詞：超聲波傳感器；紅外測距傳感器；雙比較器整形電路；中圖分類號：；文獻(xiàn)標(biāo)志碼：一，（

2、，螂，；，五，）：，：；引言距車體外沿的位置。移動機(jī)器人在行進(jìn)中，可以探測其周圍個方向上是否存在障礙物及其距機(jī)器人的距離。傳感器是自主移動機(jī)器人系統(tǒng)必不可少的重要組成部分¨之一。在完全結(jié)構(gòu)化的已知環(huán)境中，傳感器系統(tǒng)用于引導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動，監(jiān)控預(yù)期任務(wù)的執(zhí)行，處理可能的意外情況；而在未知或動態(tài)變化的環(huán)境中，因?yàn)椴荒茴A(yù)先獲知環(huán)境的信息，。、巧：，機(jī)器人完全依靠傳感器系統(tǒng)實(shí)時感知環(huán)境，進(jìn)行導(dǎo)航與定位。目前，用于機(jī)器人避障和測距的傳感器有紅外、超聲波、激光及視覺傳感器。激光傳感器和視覺傳感器價格昂貴，且對。泌。：一控制器的要求較高，而超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易廷”。、。、。實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，

3、被廣泛用作測距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位及環(huán)境建模。圖超聲波傳感器和紅外傳感器布局由于超聲波傳感器測距存在盲區(qū)，其測距范圍一般為超聲波測距原理，為了彌補(bǔ)超聲波傳感器的盲區(qū)，增加了紅外線測超聲波測距原理如圖所示。首先使超聲波換能器向介距傳感器。本系統(tǒng)所用的超聲波傳感器測距范圍：質(zhì)中發(fā)射聲波信號，聲波遇到被測物體后必有反射回來的聲，紅外測距傳感器測距范圍：。通過波作用于超聲波換能器上。若已知介質(zhì)中的聲速為”，測得第合理安裝傳感器，并使紅外測距傳感器的盲區(qū)恰好在機(jī)器人的一個回波到達(dá)的時刻與發(fā)射聲波時刻的時問差為，即可以按內(nèi)部，而其量程覆蓋超聲波傳感器的盲區(qū)；同時安裝碰撞開關(guān)，式，計算超聲波換能器與被測物體之間

4、的距離，測量以提高機(jī)器人探測障礙物的可靠性。測距系統(tǒng)將測量結(jié)果傳送給上位機(jī)，由根據(jù)測量結(jié)果對機(jī)器人進(jìn)行控制。距離一（），若時，則在本系統(tǒng)中，為了考慮成本與安裝方便，而采用了收發(fā)一體的超聲波傳感器，系統(tǒng)測距原理則。本系統(tǒng)采用多個超聲波傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)測距，常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體其布局如圖所示。其中。（，）為超聲波傳感器中的傳播速度為怛：和碰撞開關(guān)；：（，）為紅外傳感器。超聲波傳感器”。廂河云（）安裝在機(jī)器人車體外沿邊上，夕傳感器安裝在機(jī)器人內(nèi)部式中為氣體摩爾質(zhì)量，為氣體的比熱比，為氣體常數(shù)，收稿日期：一；修回日期：。基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（）。作者簡介

5、：粱毓明（一），男（壯族），廣西來賓人。講師，博士研究生，主要研究方向：智能自動化、移動機(jī)器人；徐立鴻（一），舅，山東日照人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能自動化。月為熱力學(xué)溫度。梁毓明等：移動機(jī)器人多傳感器測距系統(tǒng)研究與設(shè)計頻率為，發(fā)射角（全角）為，分辨率高，探測范圍：對于一定的氣體、為定值。由式（）可知：聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比。溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。時，空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)值為，空氣中聲速表達(dá)式為口。超聲波測距電路原理框圖如圖所示。，其中為攝氏溫度。為了消除或減少環(huán)境溫度對測距的影響，提高超聲波測距精度，在本系統(tǒng)中進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。圖多傳感器測距系統(tǒng)原理目標(biāo)圖超聲波測

6、距原理工形電路紅外測距原理紅外線雖然波長比可見光長，但它仍然是一種光，它在空氣中的傳播速度仍然是×，通常情況下，紅外線要探測的距離短，利用渡越時間法測量距離不能夠獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。的紅外傳測距感器都是基于三角測量原理，如圖所示。紅外發(fā)射器按照定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會反射回來。反射回來的紅外光線被光感應(yīng)板檢測到以后，會獲得一個偏移值已；利用三角關(guān)系，在知道了偏移距，兩透鏡的中心矩，以及透鏡的焦距，以后，傳感器到物體的距離就可以通過幾何關(guān)系計算出來了：。可以看到，當(dāng)距離足夠小時，值會相當(dāng)大，超過光感應(yīng)板的探測范圍，這時，雖然物體很近，但是傳感器反而看不到了。當(dāng)物體距離很

7、大時，值就會很小。這時光感應(yīng)板能否分辨得出這個很小的值成為關(guān)鍵，也就是說光感應(yīng)板的分辨率決定能不能獲得足夠精確的值。要檢測越是遠(yuǎn)的物體，光感應(yīng)板的分辨率要求就越高。雙比較器整至蝌圜刨罩整杰孤麗要）電路三。二二彳。一超聲波驅(qū)動電路一！一。！。生鳘囂；熊妻圖超聲波測距電路原理內(nèi)部邏輯電路設(shè)計在系統(tǒng)中主要完成超聲波觸發(fā)信號的產(chǎn)生、檢波、計時、抗干擾邏輯。其內(nèi)部邏輯電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)的主要功能模塊主要有：時序發(fā)生器模塊、檢波器模塊、高速計數(shù)器模塊、可變門檻控制模塊、回波識別模塊及其他一些輔助性的模塊和功能，如圖所示。時序發(fā)生器主要負(fù)責(zé)及外部所需要的時序信號的精確發(fā)生與控制。具體包括：超聲波發(fā)射控制信號、接收

8、使能信號、清零信號、抗干擾控制所需要的一系列控制信號等。時序發(fā)生器是乃至整個變送器正常工作的基礎(chǔ)。檢波器負(fù)責(zé)對經(jīng)電壓比較器比較之后的信號進(jìn)行高速處理，并對回波到達(dá)時刻進(jìn)行精確捕捉。檢波器有兩個，分別接收雙比較器整形電路之后的信號。高速計數(shù)器的主要功能是通過計數(shù)的方式檢測渡越時間。在發(fā)出超聲波觸發(fā)信號的同時，高速計數(shù)器被啟動，同時系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。超聲波信號發(fā)出后到達(dá)被測界面之后發(fā)生反射，回波返回到超聲波傳感器之后，通過電壓比較器和檢波器后，檢波器將給出一個回波到達(dá)信號，這個信號被輸入高速計數(shù)器，使其停止。由于已知計數(shù)器的計數(shù)頻率，則只要記錄下計數(shù)器從發(fā)射到回波到達(dá)所計的數(shù)值，就可以計算出渡越時

9、間。系統(tǒng)中實(shí)際設(shè)計實(shí)現(xiàn)的高速計數(shù)器有兩個，分別對回波到達(dá)雙比較器整形電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)時間進(jìn)行計時。可變門信號控制模塊，由于超聲波傳感器為收發(fā)一體，為了避免振子余振對接收的影響，設(shè)立了兩個門信號控制回波的接收。事實(shí)上，對在等待回波到達(dá)的過程中，不可避免會有干擾信號的出現(xiàn)，若出現(xiàn)較大干擾，則有可能造成誤觸發(fā)。設(shè)立了這個門信號之后，由于系統(tǒng)只在門信號有效的范圍之內(nèi)才進(jìn)行接收，因此，門信號時間范圍之外的干擾將不對系統(tǒng)造成影響，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。回波識別模塊，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，還在內(nèi)部設(shè)計了一個回波識別功能，接收雙比較器整形電路中的一路輸出信號。由于換能器振子的余振，真實(shí)回波持續(xù)時間很長，

10、包含周期數(shù)也很多，一般要超過，而干擾波至弧、迄菁、沁、”“！口窗帕持亞而同例平。刪線透鏡光感應(yīng)板圖紅外線測距原理系統(tǒng)硬件設(shè)計多傳感器測距系統(tǒng)原理如圖所示。其中溫度采樣電路用來采集環(huán)境溫度，以對超聲波聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償；模塊用來管理路超聲波的發(fā)射與接收”，并將所測得的時間傳送給以計算出距離；路紅外傳感器用來測機(jī)器人距障礙物較短的距離，由驅(qū)動紅外發(fā)射，并通過內(nèi)部集成的位轉(zhuǎn)換器對接收的信號進(jìn)行采樣，計算出距離；將所測得距離保存在中，并通過總線傳送給上位機(jī)。當(dāng)移動機(jī)器人需要探測其周圍的障礙物時，上位機(jī)發(fā)送控制命令給處理器，由進(jìn)行溫度采集、紅外線測距及控制對超聲波的發(fā)射與接收。本系統(tǒng)中的處理器為【，芯片為

11、器件。超聲波測距（信號的發(fā)射與接收電路）系統(tǒng)采用一收發(fā)一體的超聲波傳感器，中心多只有一兩個周期，根據(jù)這一點(diǎn)設(shè)計了回波自動識別功能，主計算機(jī)應(yīng)用年要思路就是根據(jù)回波包含周期數(shù)來判別檢測到的是否是真實(shí)為比較器的閾值電平；。為第一個回波前沿所對應(yīng)的傳播回波：如果超過一定數(shù)目，則認(rèn)為是真實(shí)回波并進(jìn)行后續(xù)處時間，。為比較器翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的時問；：為比較器翻轉(zhuǎn)時理，否則忽略本次接收。這樣就保證了每次檢測到的都是有對應(yīng)的時間。將兩比較器翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，連接并延長與橫軸交于口效信號，減小了干擾波的影響。點(diǎn)，很容易求出點(diǎn)所對應(yīng)的時間。，：為直接測量超聲波信號發(fā)射得到的時間，通過幾何分析可以求出點(diǎn)或點(diǎn)到點(diǎn)的時間超聲波信號的發(fā)

12、射由輸出的觸發(fā)信號驅(qū)差。設(shè)口段的時間為曲，段的時間為。，則有下式成立：動超聲波驅(qū)動電路并進(jìn)行功率放大，并用放大后的信號去驅(qū)動超聲換能器發(fā)出超聲波。獸；壘：叫超聲波信號接收超聲波信號發(fā)射出去后遇到被測目標(biāo)將發(fā)生反射，待回波返回至超聲換能器之后，超聲換能器的振子將接收到的聲，：警（）、。一由式（）可得口點(diǎn)所對應(yīng)的時間為：吣一（）、信號重新轉(zhuǎn)化成微弱的電信號；接收電路負(fù)責(zé)對這個信號進(jìn)其中：，為由基準(zhǔn)電壓電路提供的比較器參考電壓，為已行濾波、放大、整形，將處理后輸出的信號輸入進(jìn)行后知量；。，：為測量值。從圖中可以看出以點(diǎn)所對應(yīng)的時間續(xù)處理。接收電路由濾波放大電路和雙比較器整形電路組代表回波前沿時間計算

13、測量距離，要比以，：直接計算成。距離，精度要明顯提高，本系統(tǒng)中兩個比較器的參考電壓為：濾波放大電路。系統(tǒng)中，考慮到超聲換能器輸出阻抗比，。較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。前置放大電路是一個由精密、高速寬帶放大器構(gòu)成的差動放大回波信號以器，再用高速運(yùn)放對信號進(jìn)行濾波放大，再送入雙鐘血么一一一比較器整形電路進(jìn)行處理。由于采用收發(fā)一體傳感器，因而恨時間，收發(fā)信號之間會產(chǎn)生干擾，較大的發(fā)送信號能量有可能直接進(jìn)入接收電路，它要比回波大得多，因此前級放大電路會飽圖雙比較器整形電路工作原理和，電路工作不穩(wěn)定。為此，接收信號放大器的輸入端要接入）進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用數(shù)字溫度傳感器，設(shè)置一對互為反向的

14、二極管進(jìn)行箝位，以保護(hù)后面的放大電路。分辨率為，提高溫度對聲速的補(bǔ)償精度。雙比較器整形電路“。經(jīng)濾波放大后的信號是正弦波信號，將該信號同時接人超高速比較器的兩個比較系統(tǒng)軟件設(shè)計器的反相輸入端，而比較器的參考電壓分別為的系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、紅外（提供的基準(zhǔn)電壓）和線信號采樣子程序、超聲波測距子程序、數(shù)據(jù)處理與打包子程（提供的基準(zhǔn)電壓）。雙比較器整形電路的序、數(shù)據(jù)通信子程序、讀寫子程序、外部中斷子程序輸出的信號同時輸入進(jìn)行后續(xù)處理。和定時器中斷子程序。此外，的配置由來實(shí)紅外線傳感器測距現(xiàn)，硬件連接上將，的、接本系統(tǒng)采用紅外線測距傳感器，其探測范地，同時將、。、圍為，模擬量輸出，且輸

15、出電壓與距離為非線性關(guān)分別與的相連。主程序完成初始化系。為了得到距離，需要對傳感器輸出信號進(jìn)行采樣，和各個子程序的調(diào)用，最后把測量結(jié)果傳送給。本系統(tǒng)采用內(nèi)部集成的位轉(zhuǎn)換器。的主程序流程如圖所示。配置程序至關(guān)重要，只有的輸出引腳與接地引腳之間接的電容以濾掉配置成功了，才能進(jìn)行超聲波測距，配置程序流傳感器輸出中快速變化的尖峰脈沖，再送至）。程如圖所示。進(jìn)行。當(dāng)需要測距時，由的口發(fā)出持續(xù)腳的高電平給供電，然后再進(jìn)行采樣。提高超聲波測距精度的主要措施系統(tǒng)中分別對超聲波測距以下采取措施，以提高系統(tǒng)測距精度：）采用高速的對超聲波渡越時間進(jìn)行測量。由于的運(yùn)行速度很高，因此在回波到達(dá)時刻的捕捉及計時上可以達(dá)到

16、很高的精度。本系統(tǒng)采用了晶振，計數(shù)器為位，理論計時誤差為一個時鐘周期即，比起單純使用單片機(jī)的斗級精度，大幅度地提高了計時精度。）采用高速運(yùn)算放大器和超高速比較器以減小信號傳輸延時。通過高速運(yùn)算放大器電路放大后的信號同時接入超高速比較器的兩個比較器的反相輸入端。一般超聲圖的主程序流程測距電路是用一個比較器檢測回波信號，閥值固定，當(dāng)測量距利用公司的進(jìn)行設(shè)計，主要完成離較遠(yuǎn)時，由于回波信號弱會引起比較器翻轉(zhuǎn)延遲，增大測量超聲波觸發(fā)信號的產(chǎn)生、檢波、計時、抗干擾邏輯功能。誤差，應(yīng)用雙比較器整形可以適當(dāng)減小這種誤差，其工作原理如圖所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在圖中，為峰值電壓；為比較器的閾值電平；為了驗(yàn)證本文超

17、聲波測距的測量精度的有效性，在實(shí)驗(yàn)月梁毓明等：移動機(jī)器人多傳感器測距系統(tǒng)研究與設(shè)計室進(jìn)行了實(shí)地測量。將文中的超聲波測距（記為）距離，與未加溫度補(bǔ)償且直接將回波信號進(jìn)行濾波放大再經(jīng)過零比較器（元器件不變）后由位單片機(jī)進(jìn)行測距（記為）的結(jié)果進(jìn)行比較，如表所示，表中實(shí)測距離是用鋼質(zhì)卷尺測量得到的。從表中可看出，在量程范圍內(nèi)，的測量誤差不隨測量距離增大而明顯增大，這與一般采用單比較器、無溫度補(bǔ)償、爐級時間測量精度的超聲波測距量系統(tǒng)有明顯區(qū)別；該誤差具有隨機(jī)性，實(shí)際測量時可通過多次測量取平均值的方法減小誤差。傳感器供電電壓為，表中實(shí)際距離是用鋼質(zhì)卷尺測量得到的。從表中可看出，在量程范圍內(nèi)，測量誤差變化較

18、大，用其作為精確的距離測量不妥。表紅外線測距傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其測量誤差結(jié)語本文設(shè)計了移動機(jī)器人多傳感器測距系統(tǒng)的硬件電路和相應(yīng)的軟件，并采用多種措施來提高超聲波測距精度，對其盲區(qū)采用紅外線測距傳感器和碰撞開關(guān)進(jìn)行彌補(bǔ)。實(shí)驗(yàn)表明，在近距離測量范圍內(nèi)，上述超聲波測距方法精度可以達(dá)到級，可以滿足機(jī)器人避障與定位的實(shí)際需要。參考文獻(xiàn)：【】王火亮基于超聲波傳感器的智能吸塵機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的研究【】杭州：浙江大學(xué)，【】金篆芷，王明時現(xiàn)代傳感器技術(shù)【】北京：電子工業(yè)出版社，【】圖配置程序流程【】：啉咖【】距離表超聲波測距的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)測距離距離巾坤亮，王建東，樊瑋虹，等基于芯片的超聲波紅外線測距系統(tǒng)【】微處理

19、機(jī)。（）：距離實(shí)測距離距離【】陳大新，胡學(xué)同，周杏鵬利用改進(jìn)超聲波測距模塊設(shè)計【】傳感器技術(shù)，（）：【】微控制器使用指南一【】【一】：，一【】趙海鳴，卜英勇，王紀(jì)嬋，等一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的研制【】湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，（）：紅外線測距傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示，其中（上接第頁）參考文獻(xiàn)：【】”朗”【】【】許源視頻語義特征提取算法研究【】上海：復(fù)旦大學(xué)，季春基于內(nèi)容的視頻檢索中的關(guān)鍵幀提取技術(shù)【】情報雜志，（）：【】，（）【】【】唐冰，周美玉基于視頻圖像的既有線路地理信息系統(tǒng)【】鐵路計算機(jī)應(yīng)用，（）：【】鰍：，。：【】：，【】【】，：【一，（）：】，【】，【】，【，。：【】，。：（）：【】，【，【】【一】：【】，王煒，一個開放架構(gòu)的數(shù)字視頻【】梅承力，楊景濤，周源華基于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖像檢索【】上海交通大學(xué)學(xué)報，（）：管理系統(tǒng)【】【】：移動機(jī)器人多傳感器測距系統(tǒng)研究與設(shè)計作者：作者單位：梁毓明， 徐立鴻， LIANG Yu-ming， XU Li-hong梁毓明,LIANG Yu-ming(同濟(jì)大學(xué),電子與信息工程學(xué)院,上海,201804;江西理工大學(xué),機(jī)電工程學(xué)院,江西,贛州,341000)， 徐立鴻,XU Li-hong(同濟(jì)大學(xué),