引論：我們?yōu)槟砹?3篇超聲波傳感器范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫(xiě)作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
1.超聲波
聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的聲波,其每秒的振動(dòng)次數(shù)很高,超出了人耳聽(tīng)覺(jué)的上限,人們將這種聽(tīng)不見(jiàn)的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過(guò)程中有衰減。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律,與可聽(tīng)聲波的規(guī)律并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽(tīng)聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的衍射本領(lǐng)很差,它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播,超聲波的波長(zhǎng)越短,這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí),推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。在相同強(qiáng)度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比,它的功率是非常大的。空化作用──當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí),由于液體微粒的劇烈振動(dòng),會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用,從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用,會(huì)使液體的溫度驟然升高,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化,并且加速溶質(zhì)的溶解,加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱(chēng)為超聲波的空化作用。
超聲波的特點(diǎn):(1)超聲波在傳播時(shí),方向性強(qiáng),能量易于集中;(2)超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播,且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離;(3)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中,易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息(診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng))。
2.超聲波傳感器
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測(cè)手段,必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上稱(chēng)為超聲換能器,或者超聲探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類(lèi)。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時(shí)它接收到超聲波時(shí),也能轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送,也能作接收。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器(或稱(chēng)波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱(chēng)波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中幅射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè)。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。
二、超聲波傳感器的應(yīng)用
1.超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用
超聲波傳感器包括三個(gè)部分:超聲換能器、處理單元和輸出級(jí)。首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì),其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài),處理單元對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析,判斷收到的信號(hào)是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測(cè)量超聲波的行程時(shí)間,根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物變化方向發(fā)射超聲波,就可測(cè)量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時(shí)候,則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
2.超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病,它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。
3.超聲波傳感器在測(cè)量液位的應(yīng)用
超聲波測(cè)量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào),在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件,也不接觸被測(cè)液體,屬于非接觸式測(cè)量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等,因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng);(2)其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。
4.超聲波傳感器在測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用
超聲測(cè)距大致有以下方法:①取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測(cè)量電壓即可測(cè)得距離;②測(cè)量輸出脈沖的寬度,即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t,故被測(cè)距離為 S=1/2vt。如果測(cè)距精度要求很高,則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。
三、小結(jié)
文章主要從超聲波與可聽(tīng)聲波相比所具有的特性出發(fā),討論了超聲波傳感器的原理與特點(diǎn),并由此總結(jié)了超聲波傳感器在生產(chǎn)生活各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用。但是,超聲波傳感器也存在自身的不足,比如反射問(wèn)題,噪聲問(wèn)題的等等。因此對(duì)超聲波傳感器的更深一步的研究與學(xué)習(xí),仍具有很大的價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
[1]單片機(jī)原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社.
[2]栗桂鳳,周東輝,王光昕.基于超聲波傳感器的機(jī)器人環(huán)境探測(cè)系統(tǒng).2005,(04).
篇2
一、超聲波傳感器概況
1.1超聲波及其原理
物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播形式就是聲波，而超聲波主要是指聲波頻率在20000Hz以上的聲波形式。由于這種聲波每秒鐘的振動(dòng)頻率較高，因此大大超出了人耳所能承受的聽(tīng)覺(jué)范圍。超聲波按照其在機(jī)械振蕩過(guò)程中的不同表現(xiàn)形式，可將其分為縱向與橫向兩種振蕩波[1]。而在我國(guó)現(xiàn)階段的工業(yè)實(shí)踐中，主要應(yīng)用的是縱向振蕩波，與可聽(tīng)聲波相比，超聲波具有獨(dú)特的傳播特征，其衍射能力較強(qiáng)，而且在均勻的傳播介質(zhì)中可以進(jìn)行直線傳播。一般情況下，在同等強(qiáng)度條件下，聲波的頻率與功率具有正相關(guān)性，聲波頻率越大，其傳波的功率就越大。因?yàn)槌暡ㄒ纫话懵暡l率更大，所以其在運(yùn)行傳播時(shí)的功率也較大。由于超聲波具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在不同環(huán)境下得到了廣泛應(yīng)用與實(shí)踐。
1.2超聲波傳感器的特點(diǎn)
超聲波傳感器是利用超聲波的上述優(yōu)點(diǎn)研制而成的一種數(shù)字傳感器，以超聲技術(shù)為核心、超聲傳感裝置為載體，進(jìn)行超聲波傳輸與接收。通常情況下，超聲波傳感器又稱(chēng)為超聲換能器及超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片構(gòu)成，其不但可以接收超聲波，而且可以發(fā)射超聲波。因此在超聲探頭中，核心運(yùn)作組件就是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。這種壓電晶片通過(guò)具有磁致伸縮作用的鎳鐵鋁合金材料與具有電致伸縮作用的壓電晶片材料制成。采用壓電晶體材料構(gòu)成的超聲波傳感器是具有可逆功能的一種數(shù)字化傳感器，在其運(yùn)行過(guò)程中可將機(jī)械設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而在不同能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生超聲波。與此同時(shí)，超聲波傳感器可接收超聲波，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[2]。因此，按照超聲波傳感器的實(shí)際工作運(yùn)行原理，可將其分為超聲波接收器與超聲波傳輸器。
二、超聲波傳感器的具體應(yīng)用分析
首先，超聲波傳感器可在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中得到運(yùn)用。通過(guò)上述分析可知，超聲波傳感器主要由處理單元模塊及超聲換能單元模塊、輸出單元模塊所組成。在具體應(yīng)用過(guò)程中，處理單元模塊可對(duì)超聲換能器進(jìn)行電壓激勵(lì)，從而使經(jīng)過(guò)激勵(lì)后的電壓以脈沖形式發(fā)出電磁波。隨之，超聲換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，處理單元模塊對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行科學(xué)分析，以此判斷其接收到的信號(hào)是否是超聲波的回聲[3]。如果經(jīng)過(guò)核實(shí)，其所接收到的信號(hào)是超聲波回聲，則對(duì)超聲波的聲波傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)量分析，按照行程測(cè)算結(jié)果，對(duì)反超聲波的行程時(shí)間進(jìn)行測(cè)算分析。在具體應(yīng)用過(guò)程中，可將超聲波傳感裝置安裝于適當(dāng)位置，并對(duì)被測(cè)物體變化方向發(fā)射的超聲波進(jìn)行分析，就可測(cè)量物體表面與超聲波傳感器之間的實(shí)際距離。
其次，超聲波傳感器可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。目前，超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用，主要體現(xiàn)在患者臨床疾病診斷方面。隨著這項(xiàng)技術(shù)不斷成熟，超聲波傳感器診斷已成為我國(guó)現(xiàn)階段醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一種重要診斷方式。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，利用超聲波進(jìn)行疾病診斷的主要優(yōu)點(diǎn)是受檢者無(wú)明顯的疾病痛苦，而且實(shí)踐操作過(guò)程非常簡(jiǎn)單、無(wú)損害、無(wú)創(chuàng)傷，診斷過(guò)程中有較為清晰的顯像，尤其是診斷精確率較高。
另外，超聲傳感器在測(cè)量液位中具有重要作用。在液位測(cè)量過(guò)程中，超聲波的使用原理是，通過(guò)超聲波探頭發(fā)出超聲脈沖信號(hào)，其在空氣中進(jìn)行廣泛傳播。當(dāng)傳播過(guò)程中遇到空氣與液面之后，就會(huì)被被測(cè)液體的液面反射回來(lái)，此時(shí)技術(shù)測(cè)量人員可根據(jù)反射回的信號(hào)測(cè)算時(shí)間與距離，從而得到液面實(shí)際高度。在液面測(cè)量中，超聲波傳感器測(cè)量技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量，因此測(cè)量過(guò)程中電磁干擾小、不易受到刺激性液體腐蝕，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，設(shè)備使用壽命較長(zhǎng)。
除此之外，超聲波傳感器可在測(cè)距系統(tǒng)中得到應(yīng)用實(shí)踐。采用超聲波傳感器進(jìn)行距離測(cè)算，不但可以科學(xué)測(cè)量設(shè)備輸出脈沖的寬度，而且可以測(cè)量脈沖波的具體運(yùn)行時(shí)間。因此，測(cè)量精度較高，并可對(duì)測(cè)量結(jié)果與測(cè)量過(guò)程進(jìn)行修正。
結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，超聲波傳播方向性較好，因此能夠集中進(jìn)行傳播；同時(shí)，超聲波的傳播適應(yīng)能力較強(qiáng)，其能夠在不同傳播媒介中進(jìn)行科學(xué)傳播，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播；再者，超聲波與傳聲媒介的相互作用適中，而且在傳波過(guò)程中容易攜帶有關(guān)傳聲媒介狀態(tài)的信息。因此，基于上述應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，其在我國(guó)諸多技術(shù)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用與實(shí)踐。
參 考 文 獻(xiàn)
篇3
近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，人們的生活水平也不斷提高，新科技產(chǎn)品走近人們身邊，機(jī)器人的功能和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。機(jī)器人的功能由只能從事簡(jiǎn)單的、固定的操作，向可以從事多種任務(wù)擴(kuò)展；機(jī)器人的工作環(huán)境從工廠或者車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，走向海、陸、空，走入醫(yī)院、辦公室、家庭以及各種娛樂(lè)場(chǎng)所；機(jī)器人的應(yīng)用行業(yè)已經(jīng)不局限于制造業(yè)，向醫(yī)療、服務(wù)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、搜救、建筑、海洋等非制造業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍，這就要求機(jī)器人具有自主移動(dòng)的功能。目前，移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一，它可以移動(dòng)到固定機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的位置，從而完成特殊的操作任務(wù)。輪式移動(dòng)機(jī)器人具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、滑動(dòng)摩擦阻力小、能源利用率高、不必要考慮行走的平衡性等優(yōu)點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。本課題研究的目的意在設(shè)計(jì)出基于傳感器的可以實(shí)現(xiàn)行走、避障、轉(zhuǎn)向等功能的移動(dòng)機(jī)器人。
目前，移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的研究關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)包括以下幾點(diǎn)：
1.路徑規(guī)劃控制技術(shù)。傳感器將實(shí)時(shí)探測(cè)到得工作環(huán)境信息反饋給移動(dòng)機(jī)器人，從而獲得障礙的形狀、尺寸及位置信息，并作出局部路徑規(guī)劃。
2.傳感技術(shù)。機(jī)器人對(duì)自身及外部障礙物位姿信息的檢測(cè)以及處理，獲取有效的環(huán)境信息，為決策系統(tǒng)提供保障。
3.多傳感器信息融合技術(shù)。將不同傳感器反饋的局部信息整合，消除多傳感器間的冗余信息，排除矛盾，提高檢測(cè)環(huán)境的準(zhǔn)確性，從而提高系統(tǒng)的決策及規(guī)劃的準(zhǔn)確性。
4.開(kāi)發(fā)技術(shù)。研究開(kāi)放式控制系統(tǒng)和模塊化控制系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)技術(shù)。
5.智能化技術(shù)。知識(shí)理解、反應(yīng)、歸納、推斷和問(wèn)題求解等內(nèi)容是智能控制系統(tǒng)智能化的主要研究?jī)?nèi)容[3]。
從以上的分析可以看出，移動(dòng)機(jī)器人要走向?qū)嵱茫仨殦碛蟹€(wěn)定的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全又友好地與人一起工作的能力。
二、多超聲波傳感器及信息融合
超聲波頻率為20kHz以上，波長(zhǎng)較短，繞射小，能夠按照指定方向傳播。超聲波的頻率越高與光波的相似性越大，其指向性強(qiáng)，速度快，能耗消失緩慢，可在較遠(yuǎn)距離中傳播，距離分辨率又高，同時(shí)還具有小體積，輕質(zhì)量，易于安裝，并且不易受到外界環(huán)境的干擾等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波傳感器在移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距方面也得到了廣泛的應(yīng)用。
多超聲波傳感器的信息融合的目標(biāo)就是滿足系統(tǒng)的實(shí)際要求，將環(huán)境信息從多超聲波傳感器中提取并合成，以全面準(zhǔn)確的描述環(huán)境信息。它一方面要求多超聲波傳感器系統(tǒng)和其信息系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)，有機(jī)融合以充分體現(xiàn)信息資源的價(jià)值；另一方面要求抽象合成，以減少超聲波系統(tǒng)的信息通訊與信息處理壓力策略。經(jīng)優(yōu)化處理后的多傳感器信息具有信息冗余性、信息互補(bǔ)性、信息低成本性和信息實(shí)時(shí)性，因而可以比較完整地、更精確地反饋環(huán)境特征。
目前，使用的多傳感器數(shù)據(jù)融合方面具體的方法包括加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)法、卡爾曼濾波法、模糊積分法、確定性理論法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及D-S推理法等。
在D-S推理中，基本概率賦值函數(shù)的數(shù)據(jù)計(jì)算、合成都可以通過(guò)D-S合成公式進(jìn)行處理，但是當(dāng)決策框架復(fù)雜時(shí)，基本概率合成公式處理的數(shù)據(jù)量將大大增加。D-S理論法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要先驗(yàn)概率的信息，因此廣泛應(yīng)用于故障診斷、目標(biāo)識(shí)別、綜合規(guī)劃等領(lǐng)域。
本文采用D-S論證法將多傳感器信息融合。其基本概率分配函數(shù)滿足：
三、機(jī)器人避障系統(tǒng)分析
本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人為三輪機(jī)構(gòu)，其中包括：前輪一個(gè)，為驅(qū)動(dòng)輪和操舵輪；后輪兩個(gè)，主要起支撐作用，為隨動(dòng)輪。前輪的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向分別由直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。
直流電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)為：?jiǎn)?dòng)性能、制動(dòng)性能良好，可以在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速，因此廣泛應(yīng)用于需要快速正反轉(zhuǎn)的電力系統(tǒng)中。
步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)樗拇朋w轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)軸上，繞組裝在機(jī)殼上，沒(méi)有電刷。轉(zhuǎn)子自由的旋轉(zhuǎn)，與任何構(gòu)件沒(méi)有電器上的接觸。它能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，因此步進(jìn)電機(jī)非常適合于單片機(jī)控制。
本系統(tǒng)以SPCE061A為核心，采用六個(gè)超聲波傳感器，分為兩組，每組由三個(gè)超聲波傳感器模組完成測(cè)距任務(wù)，每組超聲波測(cè)距模組分別在小車(chē)的正前方排布和正后方成線陣列傳感器分布。超聲波傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)接板模擬數(shù)字開(kāi)關(guān)CD4052與SPCE061A板進(jìn)行獨(dú)立通訊，將測(cè)量距離反饋給單片機(jī)，使其對(duì)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)車(chē)身的姿態(tài)調(diào)整糾正及障礙進(jìn)行自主避障。
路徑規(guī)劃是機(jī)器人在未知的、有障礙物的環(huán)境中，安全地避開(kāi)障礙物，找到一條合適路徑順利地從起點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)。根據(jù)對(duì)不同工作環(huán)境的認(rèn)知程度，可以將移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃劃分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是基于完整環(huán)境信息的全局路徑規(guī)劃，即靜態(tài)或離線路徑規(guī)劃；另一類(lèi)是基于環(huán)境信息部分已知或者完全未知的情況下依靠傳感器感知環(huán)境信息和作出規(guī)劃的局部路徑規(guī)劃，即動(dòng)態(tài)或在線路徑規(guī)劃。
本文的輪式機(jī)器人采用超聲波傳感器來(lái)探測(cè)障礙物以獲得環(huán)境信息，具有近似、不完善性并且混雜著一定的噪聲，而模糊邏輯算法的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是能處理這種不確定輸入信息，并且能產(chǎn)生較為光滑的輸出量。其次，輪式移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)學(xué)模型比較復(fù)雜，因此難以確定，而模糊邏輯算法是不需要精確的數(shù)學(xué)模型。此外，輪式移動(dòng)機(jī)器人為一個(gè)典型時(shí)延、非線性的不穩(wěn)定系統(tǒng)，而模糊邏輯算法可以實(shí)現(xiàn)輸入空間與輸出空間之間非線性映射。因此，我們選擇模糊邏輯算法進(jìn)行本文的輪式移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法。
結(jié)論
篇4
一、相關(guān)原理概述
1、調(diào)平控制系統(tǒng)原理。調(diào)平控制系統(tǒng)由超聲波傳感器、數(shù)字式控制器、控制電路和電磁換向閥組成。每臺(tái)攤鋪機(jī)都配備兩套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分別安裝在攤鋪機(jī)的兩側(cè)位置。主要是利用單片機(jī)來(lái)控制數(shù)字控制器，需要將每一側(cè)的超聲波傳感器固定在平衡梁所制成的直梁上，平衡梁主要是由鋁合金制成，主要是將支架安裝在攤鋪機(jī)的一側(cè)位置，來(lái)達(dá)到調(diào)平大臂的目的。熨平板通常會(huì)直接放在路面上，并且還會(huì)隨著路面的變化而移動(dòng)，通常將該種連接形式成為浮動(dòng)式熨平板。同時(shí)，攤鋪機(jī)在行走時(shí)，在調(diào)平油缸的帶動(dòng)下，會(huì)隨著熨平板一起發(fā)生移動(dòng)。
2、超聲波傳感器測(cè)距原理。非接觸式調(diào)平系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用雨后超聲波測(cè)距傳感器中，在實(shí)際的使用過(guò)程中，加大了對(duì)脈沖回波方式的合理利用，還可以通過(guò)發(fā)送探頭的形式運(yùn)營(yíng)傳播介質(zhì)對(duì)發(fā)出的超聲脈沖波進(jìn)行傳輸，聲波在發(fā)射后，會(huì)通過(guò)傳播介質(zhì)返回到接收探頭上，超聲脈沖的時(shí)間測(cè)試，主要是計(jì)算發(fā)射到接收所要經(jīng)歷的時(shí)間，探頭到目標(biāo)之間的距離計(jì)算公式為：L=0.5ct。其中L表示探頭到目標(biāo)的距離，c表示超聲波在介質(zhì)中的傳播速度[1]。
二、測(cè)距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
1、測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先，合理選擇單片機(jī)。在進(jìn)行電路單片機(jī)測(cè)距控制時(shí)，需要選擇AT89S52型號(hào)的單片機(jī)，該單片機(jī)自身具有高性能和低功耗特點(diǎn)，內(nèi)部含有8kFlash只讀程序存儲(chǔ)器，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器等。其次，做好超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)。需要充分利用單片機(jī)的P1.0來(lái)控制超聲波，并運(yùn)用三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)輸出高電平，能夠激發(fā)超聲波傳感器，達(dá)到發(fā)射超聲波的目的。超聲波傳感器在平時(shí)主要是輸出低電平，需要確保輸出的脈沖電壓信號(hào)保持在10V，由于此信號(hào)與單片機(jī)TTL電平出現(xiàn)嚴(yán)重的不相容現(xiàn)象，脈沖信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電平來(lái)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。最后，需要做好看門(mén)狗接口電路設(shè)計(jì)。需要充分利用看門(mén)狗電路來(lái)提升工作的可靠性，防止單片機(jī)程序進(jìn)入到死循環(huán)，確保系統(tǒng)能夠自動(dòng)復(fù)位，程序重新開(kāi)始啟動(dòng)和執(zhí)行。
2、測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要加大對(duì)單片C軟件系統(tǒng)的運(yùn)用，選用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，測(cè)距功能單片機(jī)主要是采用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件系統(tǒng)由超聲波接收子系統(tǒng)、循環(huán)發(fā)射子系統(tǒng)、數(shù)字濾波子程序等模塊共同構(gòu)成。主程序在使用前，需要做好串行通信初始化和定時(shí)計(jì)數(shù)器初始化工作，確保中斷功能的合理設(shè)計(jì)。超聲波的循環(huán)發(fā)射子程序在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，時(shí)間間隔維持在25ms，要求做好超聲波發(fā)送及萬(wàn)字濾波和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，超聲波在循環(huán)發(fā)生時(shí)，每次都會(huì)產(chǎn)生8個(gè)超聲波脈沖。在對(duì)超聲波接收子程序模塊中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要運(yùn)用T2中斷來(lái)讀取計(jì)數(shù)器中的技術(shù)支持，計(jì)算出探頭距路面之間的距離[2]。
結(jié)論：本文主要是對(duì)超聲波傳感器在攤鋪機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，對(duì)調(diào)平控制系統(tǒng)原理和超聲波傳感器測(cè)距原理進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，提出了測(cè)距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方法。通過(guò)研究表明，路面高程偏差的非接觸式測(cè)量符合攤鋪機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在實(shí)際的使用過(guò)程中克服了傳統(tǒng)接觸式調(diào)平基存在的不足點(diǎn)，對(duì)提升攤鋪機(jī)的調(diào)平系統(tǒng)性能具有重要作用。通過(guò)對(duì)測(cè)距儀系統(tǒng)軟硬件的合理設(shè)計(jì)，提升了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
篇5
1 引言
在卷煙包裝生產(chǎn)過(guò)程中，膠位控制系統(tǒng)一直是困擾生產(chǎn)效率提高的重要環(huán)節(jié)。目前，煙草企業(yè)的包裝設(shè)備中主要機(jī)型為GD包裝機(jī)，該機(jī)型膠位檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)為電容傳感器，是開(kāi)關(guān)量輸出模式，機(jī)器在生產(chǎn)過(guò)程中受環(huán)境因素影響有時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)器的生產(chǎn)效率。
2 系統(tǒng)原理
超聲波可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播的特性，超聲波具有定向性好，能量集中，在傳輸過(guò)程中衰減小，反射能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)膠位控制系統(tǒng)的進(jìn)行新型設(shè)計(jì)，采用超聲波傳感器元件，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)，不受光線，被測(cè)物顏色等的影響，它不僅能夠定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)膠位，這種特性對(duì)膠位檢測(cè)不受生產(chǎn)環(huán)境因素干擾非常有益。與其他測(cè)位技術(shù)相比較，它不需要特別防護(hù)，安裝維修較方便，而且結(jié)構(gòu)方法都較簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益顯著。膠位控制設(shè)計(jì)采用超聲波液位測(cè)量技術(shù)，運(yùn)用超聲波脈沖回波方法，由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接受所需的時(shí)間，根據(jù)媒介中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而精確測(cè)定膠位高度。
3 膠位控制方案
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到使用要求。另一方面在工作中，超聲波傳感器有著優(yōu)越的抗干擾性與工作的穩(wěn)定性，故選擇超聲波傳感器代替原設(shè)備的電容傳感器進(jìn)行測(cè)量物體間的距離。
在數(shù)據(jù)處理方面，本文設(shè)計(jì)采用PLC作為控制器（如圖1示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總框圖），針對(duì)超聲波傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，用觸摸屏進(jìn)行顯示和設(shè)定。超聲波傳感器的輸出信號(hào)是0―10V，接入PLC的模擬量輸入模塊中經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為液面高度顯示在人機(jī)界面上。
3.2 系統(tǒng)的控制
系統(tǒng)的控制主要完成顯示液面高度、設(shè)定報(bào)警區(qū)間和注膠時(shí)間功能控制模式（如圖2示，系統(tǒng)控制模式）。區(qū)間設(shè)定是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，保證涂膠量符合生產(chǎn)工藝要求，通過(guò)液面高度和注膠高度的比較來(lái)判斷是否注膠，液面高度情況還能反映元器件是否損壞。超聲波傳感器的測(cè)量結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)供膠的閉環(huán)控制，隨機(jī)器速度的變化控制增加與減少供膠量，膠位液面可以設(shè)定高低位報(bào)警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。
3.3 元件的x擇
系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用UNDK系列超聲波傳感器，這類(lèi)型傳感器檢測(cè)范圍為30―250mm，分辨率小于0.3mm，聲波頻率為300KHZ，響應(yīng)時(shí)間小于50ms。其參數(shù)基本特點(diǎn)符合設(shè)計(jì)要求，能夠達(dá)到控制的精度和要求。
4 結(jié)語(yǔ)
篇6
1.關(guān)于超聲波的研究
超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽(tīng)聲波的規(guī)律沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽(tīng)聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長(zhǎng)很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長(zhǎng)大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，該特性就越顯著［1］。功率特性——當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大［1］。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。空化作用——當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)，這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱(chēng)為超聲波的空化作用［2］。另外超聲波還具有化學(xué)效應(yīng)。
現(xiàn)在我們介紹有關(guān)超聲波散霧的知識(shí)，一定頻率的超聲波作用與霧滴也會(huì)發(fā)生作用，霧滴在吸收超聲波的同時(shí)與此超聲波產(chǎn)生共振，發(fā)生共振時(shí)，霧滴的結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎或碰撞，達(dá)到驅(qū)霧散霧的實(shí)施目的。這就給我們這個(gè)研究項(xiàng)目，利用超聲波來(lái)散霧，提供了理論依據(jù)。
超聲波對(duì)自然霧氣中粉塵顆粒具有聚結(jié)的作用，從而能加速沉降，沉降的結(jié)果使分散體系發(fā)生相分離［3］。可利用懸浮在流體(氣體或液體)中的固體顆粒下沉而與流體分離。總的來(lái)說(shuō)，超聲波對(duì)非均一系統(tǒng)的作用，主要是利用聲能使懸浮的顆粒積聚成比較大的顆粒，然后使之沉降，霧氣中的霧滴在于超聲波發(fā)生共振式，結(jié)構(gòu)破碎，比重輕的水汽上浮，比重大的顆粒聚集并下沉，從而最終達(dá)到散霧的目的。
2.超聲波除霧裝置工作原理
當(dāng)把超聲波散霧的道理應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)，則是以超聲波散霧電路的形式實(shí)現(xiàn)得（即除霧裝備），其特征是電子振蕩電路產(chǎn)生與霧滴發(fā)生共振的超聲波振蕩頻率信號(hào)，振蕩電路連接電子功率放大電路，功率放大電路連接超聲波換能器，或電子振蕩電路直接輸出連接超聲波換能器；同時(shí)，通過(guò)外加電路或振蕩電路本身產(chǎn)生高幅度的脈沖波由功放電路混合到電路中，使所發(fā)射的超聲波混合有高幅度的脈沖波成份，霧滴在吸收超聲波的同時(shí)與此超聲波產(chǎn)生共振，發(fā)生共振時(shí)，霧滴的結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎或碰撞，達(dá)到驅(qū)霧散霧的實(shí)施目的。除霧裝備的啟動(dòng)和停止有對(duì)霧敏感的濕度傳感器控制電路來(lái)自動(dòng)控制。
3.散霧濕度傳感器電路設(shè)計(jì)
3.1 硬件部分（電路）
3.1.1 主要芯片選擇與芯片特點(diǎn)
AT89SS52單片機(jī)：AT89SS52是基于增強(qiáng)的51結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。高性能、低功耗的AT89SS52單片機(jī)主要特點(diǎn)如下：先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、JTAG接口、外設(shè)特點(diǎn)、特殊的處理器特點(diǎn)［4］。因此AT89SS52成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。
濕度傳感器SHT10：瑞士Sensirion公司推出了SHTxx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器。采用CMOS過(guò)程微加工專(zhuān)利技術(shù)（CMOSens technology），確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器由1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和1個(gè)能隙式測(cè)溫元件組成，并與1個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)2-wire數(shù)字接口在單芯片中無(wú)縫結(jié)合［4］，使得該產(chǎn)品具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
SHT10的主要特點(diǎn)如下：相對(duì)濕度和溫度的測(cè)量兼有露點(diǎn)輸出；全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；接口簡(jiǎn)單（2-wire），響應(yīng)速度快；超低功耗，自動(dòng)休眠；出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；超小體積（表面貼裝）；測(cè)濕精度±45%RH，測(cè)溫精度±0.5℃（25℃）［4］。
3.1.2 原理圖
原理圖 Schematic diagram
3.2 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能
通過(guò)濕度傳感器SHT10自動(dòng)檢測(cè)的環(huán)境濕度，然后通過(guò)AT89SS52單片機(jī)處理并在液晶上顯示，當(dāng)濕度上升到達(dá)某一定值，蜂鳴器響，一個(gè)發(fā)光二極管亮，當(dāng)濕度下降到某一定值，蜂鳴器停，另一個(gè)一個(gè)發(fā)光二級(jí)管亮。濕度控制的上下限可自行設(shè)定。此外可以顯示日期與時(shí)間。
4.本裝置實(shí)現(xiàn)功能與使用方法
4.1 該裝置通過(guò)濕度傳感器SHT10測(cè)量環(huán)境濕度，然后通過(guò)AT89SS52單片機(jī)處理并在液晶上顯示，當(dāng)濕度上升到達(dá)某一定值，蜂鳴器響，一個(gè)發(fā)光二極管亮，此時(shí)表示除霧裝備啟動(dòng)；當(dāng)濕度下降到某一定值，蜂鳴器停，另一個(gè)發(fā)光二級(jí)管亮，此時(shí)表示除霧裝備停止工作。同時(shí)，濕度控制的上下限可以自己設(shè)定，調(diào)整起來(lái)非常便利，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位、功能選擇、增大減小量程、確定等功能。所選用的SHT10精度高，反應(yīng)靈敏，探測(cè)電路的反應(yīng)速度快，可以非常準(zhǔn)確的控制除霧裝置開(kāi)啟和關(guān)閉，從而最大化地平衡功耗和效果之間的關(guān)系。
4.2 電路實(shí)物使用方法：本裝置濕度控制的上下限可自行設(shè)定。第一個(gè)鍵是復(fù)位鍵，可以將各設(shè)置清除。第二個(gè)是功能鍵，可以選擇調(diào)節(jié)什么變量。第三個(gè)按鍵是增加鍵，可對(duì)數(shù)字進(jìn)行增大調(diào)整。第四個(gè)按鍵是減小鍵，可對(duì)數(shù)字進(jìn)行減小調(diào)整。第五個(gè)按鍵是確定鍵。
5.小結(jié)
我們對(duì)超聲波散霧的原理及可行性方面的研究投入了很多的時(shí)間和精力。并設(shè)計(jì)出對(duì)霧敏感的濕度傳感器控制電路，該電路能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)霧的降臨，并自動(dòng)啟動(dòng)除霧設(shè)備，并在除霧后切斷除霧設(shè)備的電源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。將設(shè)計(jì)功能電路做成實(shí)物。但是由于無(wú)法得到大功率超聲波發(fā)生設(shè)備及自身物理知識(shí)的不足，沒(méi)有對(duì)“超聲波在什么頻率范圍下可以散霧”得出確切的結(jié)論。
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篇7
局部放電最明顯的特征就是產(chǎn)生電脈沖，電脈沖中包含很多可以研究分析的信息，如信號(hào)能量幅值的衰減，波形的畸變和延時(shí)等。電氣定位法的原理是根據(jù)放電脈沖在絕緣介質(zhì)中傳播時(shí)的參數(shù)特性，建立相關(guān)的傳遞函數(shù)來(lái)確定放電源的空間位置。
（1）行波法。
行波法的主要原理是利用波的時(shí)延特性來(lái)計(jì)算放點(diǎn)源與被測(cè)點(diǎn)的距離。局部放電在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形，波形傳播開(kāi)始的瞬間會(huì)出現(xiàn)容性分量，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的時(shí)延后，行波分量才到達(dá)測(cè)量端。根據(jù)行波傳播的速度，通過(guò)測(cè)量行波延遲的時(shí)間，就可以計(jì)算出所求距離，估計(jì)出放電源所在位置。
（2）極性法。
極性法的原理是通過(guò)比較變壓器繞組的不同端子上局部放電信號(hào)的極性，如對(duì)單相變壓器，理論上希望在高、低壓繞組的四個(gè)端子測(cè)到不同極性的局部放電信號(hào)，根據(jù)不同的極性信號(hào)來(lái)確定放電位置。但是極性法僅能識(shí)別到局部放電源可能存在于變壓器絕緣的某個(gè)區(qū)域。要精確地測(cè)出放電的位置，必須利用其他方法。
（3）起始電壓法。
假設(shè)變壓器繞組上的電壓分布均勻，令繞組長(zhǎng)度為L(zhǎng)，繞組兩端電位各為UH，UL。
若放電點(diǎn)N離高壓端H的距離為x，放電點(diǎn)電壓為UN，則有：
（UH-UN）/（UN-UL）=x/（1-x）（1.1）
當(dāng)UN達(dá)到起始放電電壓UI時(shí)，則有：
（UH-UI）/（UI-UL）=x/（1-x）（1.2）
若已知L，則只要改變繞組兩端的電壓，測(cè)出UH1，UH2，UN1，UN2，并將其代入式1.1和1.2即可求出放電位置x。
2 電氣定位法存在的問(wèn)題
（1）由于變壓器有很復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于不同的放電點(diǎn)，在局部放電時(shí)產(chǎn)生的波在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生振蕩，但是測(cè)量放電信號(hào)不能反映變壓器內(nèi)部真實(shí)狀況，只能在變壓器的測(cè)量端點(diǎn)進(jìn)行，所以誤差相對(duì)較大。
（2）部分電氣定位法強(qiáng)烈地依賴(lài)于變壓器內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)。
（3）只能對(duì)單局部放電源定位，對(duì)于多局部放電源定位還有待研究。
3 超聲波定位法
超聲波定位基本方法是當(dāng)變壓器內(nèi)絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，較大的能量釋放將激發(fā)產(chǎn)生超聲波，并以球面聲波的形式經(jīng)固、液絕緣和金屬介質(zhì)向四周傳播。當(dāng)放電能量較大或放電點(diǎn)距箱壁較近時(shí)，安裝在箱壁上的超聲波傳感器可接收到超聲波信號(hào)，通常需在箱壁上布置多個(gè)超聲波傳感器（4個(gè)或4個(gè)以上），定位時(shí)選擇某傳感器為基準(zhǔn)傳感器，以此為基準(zhǔn)觸發(fā)其余傳感器接收局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)。兩個(gè)傳感器接收聲波的時(shí)間差，可用離放電點(diǎn)最近的傳感器的聲信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)觸發(fā)其余傳感器的接收測(cè)量，并獲取同一局部放電超聲信號(hào)傳播到其它傳感器時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)間τ。聲波傳播時(shí)間T乘以聲波速度即為聲波的傳播距離。然后利用簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系，便可得到由若干方程組成的非線性方程組：
-=V0τn，n=1，2，…N
上式中（x，y，z）局部放電源坐標(biāo)，（xn，yn，zn）是第n個(gè)超聲波傳感器坐標(biāo)，（x0，y0，z0）是基準(zhǔn)超聲波傳感器坐標(biāo)，τn是第n個(gè)超聲波傳感器相對(duì)基準(zhǔn)傳感器的延時(shí)，V0是超聲波在變壓器油中的等值波速，N為超聲波傳感器個(gè)數(shù)。
4 超高頻-超聲波定位法
超高頻-超聲波聯(lián)合定位法是澳大利亞的西門(mén)子研究機(jī)構(gòu)使用局部放電產(chǎn)生的超聲波和電磁波聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)變壓器中的局部放電活動(dòng)。該系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵依據(jù)是超聲波和電磁波在變壓器介質(zhì)中的傳播速度是不一致的，因而可以測(cè)量?jī)煞N波到達(dá)傳感器的時(shí)間差，進(jìn)而確定局部放電的位置。定位系統(tǒng)依賴(lài)一個(gè)可同時(shí)檢測(cè)射頻和超聲波的復(fù)合傳感器探頭。復(fù)合探頭包括超聲波傳感器和射頻傳感器兩部分，其中射頻傳感器由包圍超聲波傳感器的環(huán)形銅環(huán)組成，銅環(huán)與地間形成一個(gè)電容，這種容性天線及與其連接的引線電感形成一個(gè)諧振電路，感應(yīng)局部放電引起的電場(chǎng)擾動(dòng)；超聲波傳感器結(jié)果較復(fù)雜，傳感器周?chē)顫M環(huán)氧樹(shù)脂，后面充滿比例為1：3的環(huán)氧樹(shù)脂和鎢粉的混合物，具有很低的橫向耦合系數(shù)，可有效抵制接收變壓器箱壁變向傳播產(chǎn)生的橫波。
5 陣列傳感器定位法
陣列傳感器定位法是超聲波定位的改進(jìn)方法，依據(jù)超聲波到達(dá)超聲傳感器的波程差和相位差來(lái)確定放點(diǎn)信號(hào)的方位，是一種基于傳感器陣列采集超聲信號(hào)的局部放電定位方法。該方法用多個(gè)超聲波傳感器構(gòu)成陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個(gè)超聲波探頭，通過(guò)傳感器陣列對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行多點(diǎn)并行采樣，以檢測(cè)傳感器接收到的信號(hào)為時(shí)間基準(zhǔn)，依次計(jì)算出平面相控陣傳感器接收到的超聲波信號(hào)的傳輸時(shí)延以及相差，再根據(jù)相控測(cè)向的方位角得出放電點(diǎn)的空間幾何位置，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)多放電源的定位。
與傳統(tǒng)的超聲定位法相比，陣列定位的信噪比高，而且可以解決多徑傳輸問(wèn)題，傳統(tǒng)的超聲定位將傳感器安裝在變壓器內(nèi)部不同位置，導(dǎo)致放電信號(hào)通過(guò)多個(gè)不同路徑到達(dá)探頭，探頭接收信號(hào)同一性差，導(dǎo)致定位誤差大。除此之外，陣元的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)可以轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)勢(shì)，當(dāng)個(gè)別陣元失效使接收信號(hào)存在誤差時(shí)，并不影響整體定位結(jié)果，因此，陣列定位法檢測(cè)可靠性更高。
綜上所述，表1總結(jié)了目前變壓器局部放電源定位的方法及特點(diǎn)。
篇8
當(dāng)今社會(huì)測(cè)距是很普遍也很重要的問(wèn)題，許多場(chǎng)合下需要準(zhǔn)確、迅速、實(shí)時(shí)的測(cè)距。例如盲人在行走的過(guò)程中，需要一個(gè)裝置來(lái)檢測(cè)前方有無(wú)障礙物，在距離障礙物距離過(guò)近的時(shí)候必須可以報(bào)警；又如汽車(chē)倒車(chē)的時(shí)候也需要檢測(cè)車(chē)尾與車(chē)庫(kù)的距離，在危險(xiǎn)距離的時(shí)候可以報(bào)警，使車(chē)主可以及時(shí)剎車(chē)，避免發(fā)生事故；再如一些的門(mén)口也需要測(cè)距的裝置，當(dāng)有人靠近的時(shí)候，會(huì)發(fā)出警報(bào)，使該區(qū)域的安全性得到保障。目前，測(cè)距的方法很多，如紅外檢測(cè)具有造價(jià)低、安全性能好、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是檢測(cè)精度低、實(shí)用性低。由于超聲測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)，其抗干擾能力較強(qiáng)，如光源、氣候?qū)Τ暤母蓴_都比較小，相比于其他的技術(shù)更精確，更安全。同時(shí)，超聲測(cè)距具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。基于這一現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)選用超聲波來(lái)檢測(cè)距離。
1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
針對(duì)上述問(wèn)題，本出如下的設(shè)計(jì)：先由超聲波傳感器向正前方發(fā)射超聲波，與此同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波沿著前進(jìn)的方向傳播，由于超聲波能感應(yīng)到障礙物，因此傳播過(guò)程中碰到障礙物就會(huì)立即朝反方向回傳，這樣超聲波接收器就可以接收到因障礙物而回傳的超聲波，同時(shí)，計(jì)時(shí)停止。超聲波在空氣中的傳播速度v，設(shè)傳播時(shí)間為t，那么單程傳播的為t/2，由距離（s）=速度（v）時(shí)間（t）/2，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s）。同時(shí)一方面將距離（s）由顯示屏顯示出來(lái)，讓使用者能對(duì)前方有無(wú)障礙物一目了然，并且還能掌握障礙物與其的具體距離；另一方面，設(shè)置一個(gè)距離最小值，也成閾值，當(dāng)障礙物的距離小于這個(gè)閾值的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)給報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使報(bào)警器報(bào)警，讓使用者能夠迅速準(zhǔn)確的做出應(yīng)對(duì)措施。超聲波測(cè)距原理如圖1所示。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件器件的x型
本設(shè)計(jì)的傳感器選取的是非接觸式的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，HC-SR04超聲波測(cè)距模塊使用成本低、抗干擾能力強(qiáng)并且準(zhǔn)確性能好。單片機(jī)選取ARM系列最新、最先進(jìn)構(gòu)架的Cortex-M3內(nèi)核的STM32，STM32不僅性能優(yōu)越，而且價(jià)格便宜，所以本設(shè)計(jì)選取它作為主處理器。由于本設(shè)計(jì)的顯示屏只需要顯示距離信號(hào)，所以選取易于控制、成本低的1602顯示屏。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
硬件的組成可以分為兩個(gè)部分：第一部分由超聲波傳感器以及STM32處理器組成，為檢測(cè)部分，具體作用為：首先由STM32控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，與此同時(shí)STM32控制定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，由于超聲波是沿著直線傳播，當(dāng)在前方遇見(jiàn)障礙物時(shí)，超聲波會(huì)立即反射回來(lái)，當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波的時(shí)候STM32控制計(jì)時(shí)結(jié)束；第二部分由1602顯示屏、報(bào)警電路組成，STM32檢測(cè)計(jì)算出來(lái)的距離會(huì)由1602顯示屏顯示出來(lái)，當(dāng)距離小于預(yù)先給STM32設(shè)定的閾值時(shí)，STM32會(huì)立即給報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使蜂鳴器報(bào)警。報(bào)警部分由蜂鳴器和報(bào)警電路組成，報(bào)警電路如圖3所示。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件的設(shè)計(jì)主要是對(duì)STM32的編程，首先初始化串口和定時(shí)器，并且預(yù)先設(shè)置好閾值。接著給連接超聲波傳感器的IO口發(fā)出指令，開(kāi)始發(fā)射超聲波，并且由STM32控制定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；接著實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波接收器有無(wú)信號(hào)的讀取，若有，則說(shuō)明前方有障礙物，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。取定時(shí)器的計(jì)數(shù)差值，由定時(shí)器計(jì)數(shù)的差值可以計(jì)算出共同的時(shí)間，而單向路程所需的時(shí)間為共同時(shí)間的一半，就可以計(jì)算出障礙物與超聲波傳感器的距離。同時(shí)還要將這個(gè)距離與預(yù)先設(shè)置好的閾值進(jìn)行比較，若距離值小于閾值，則STM32會(huì)給報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，達(dá)到報(bào)警效果。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
隨機(jī)選取不同的距離、不同材質(zhì)的障礙物進(jìn)行檢測(cè)十次，每當(dāng)達(dá)到檢測(cè)范圍的時(shí)候，顯示屏每次都能準(zhǔn)確的顯示出障礙物的距離，并且當(dāng)過(guò)度靠近障礙物的時(shí)候，蜂鳴器每次都會(huì)發(fā)出報(bào)警。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)測(cè)距和報(bào)警的目的，滿足當(dāng)前市場(chǎng)的要求，同時(shí)制作簡(jiǎn)易，具有很好的發(fā)展和使用前景。
參考文獻(xiàn)：
篇9
文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-122-02オ
An Orientation System of Underwater Robot Based on Single Chip Computer
ZHOU Shibin,HAO Jingru,HUANG Min
(Beijing Institute of Machinery,Beijing,100085,China)
オ
Abstract：The orientation system of underwater robot captures the distance information by the ultrasonic sensors,and uses three points location theory to compute the coordinate of the position.To save the time and temperature information by single chip computers,which transmit this information to the industrial PC to complete the orientation.Finally,we can obtain a lot of orientation data through experiment.Then we can obtain the orientation precision of two different type sensors which used for sending signals,though analyzing these data by the method of non-linear optimization.The conclusion is valuable reference for the improvement of the system and orientation precision.
Keywords：ultrasonic wave;underwater orientation system;single chip computer;distance measurement
本課題研究的機(jī)器人工作在大約40 m深的漿液下，為了防止水煤漿由于長(zhǎng)時(shí)間的存貯而沉淀，他能在按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡行走時(shí)完成攪拌功能。在這種條件下，一個(gè)很重要的問(wèn)題就是機(jī)器人定位功能的實(shí)現(xiàn)，用來(lái)實(shí)時(shí)了解其具置。本機(jī)器人定位系統(tǒng)采用多路超聲波傳感器測(cè)距，然后采用三點(diǎn)定位法[1],把測(cè)距信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的位置信息。超聲波作為一種無(wú)接觸檢測(cè)方式，與激光、紅外以及無(wú)線電測(cè)距相比，在水煤漿中可以比較容易地穿透水煤漿達(dá)到測(cè)距的目的，且精度較高。
1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)
1.1 超聲波測(cè)距原理
超聲波測(cè)距原理一般采用時(shí)間度量法，計(jì)算公式為：
И
D=vt
(1)
И
式中D(m)為超聲波傳播的距離，v(m/s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，t(s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間。而超聲波在介質(zhì)中傳播的速度由介質(zhì)的性質(zhì)和溫度T(℃)決定，由此可得到水中超聲波的波速[2]為：
И
v=1 4492+4623T－0054T2
(2)
И
1.2 超聲波測(cè)距的硬件系統(tǒng)
系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其設(shè)計(jì)為分布式控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中USR1為超聲波發(fā)射傳感器，USR2，USR3，USR4為接收傳感器，他是型號(hào)為JSS-03的液下專(zhuān)用超聲波傳感器，該傳感器既可做接收用同時(shí)也可做發(fā)射用，其靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時(shí)輸出功率大。溫度傳感器選用DS18B20[3],該傳感器具有單總線、抗干擾、測(cè)溫范圍寬(-55 ~+125 ℃)、適合遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境測(cè)溫的特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中使用的單片機(jī)(MCU0,MCU1,…MCU4)均選用51系列單片機(jī)AT89C52。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由MCU0每隔3 s產(chǎn)生一個(gè)脈沖，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大激發(fā)信號(hào)發(fā)生器ST-3A，然后觸發(fā)超聲波發(fā)生器USR1；同時(shí)給MCU2,MCU3,MCU4的中斷INT0一個(gè)低電平，使他們開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)接收超聲波傳感器接收到發(fā)射超聲波傳感器發(fā)出的信號(hào)后，立即把產(chǎn)生的接收信號(hào)傳給單片機(jī)，中間的信號(hào)調(diào)理過(guò)程為一級(jí)放大(放大100倍)、帶通濾波、二級(jí)放大(放大50倍)、電壓比較、光電隔離，其中電壓比較的基準(zhǔn)電壓可調(diào)，當(dāng)信號(hào)電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)使MCU的INT1中斷。INT0中斷和INT1中斷的時(shí)間間隔即為發(fā)射與接收傳感器間的時(shí)間，他存儲(chǔ)在單片機(jī)固定的RAM中。而溫度傳感器DS18B20是分時(shí)完成對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量的，采用嚴(yán)格的時(shí)序單片機(jī)進(jìn)行雙向通訊。單片機(jī)把溫度信息存在他的固定RAM中。
1.3 超聲波測(cè)距的軟件系統(tǒng)
要完成對(duì)機(jī)器人的位置信息的測(cè)量就要求把存儲(chǔ)在單片機(jī)RAM內(nèi)的時(shí)間信息和溫度信息采集到上位機(jī)中，然后把這些信息融合起來(lái)得到機(jī)器人的確切坐標(biāo)。工控機(jī)與下位機(jī)采用串口通訊方式，通訊協(xié)議為MODBUS協(xié)議。同時(shí)上位機(jī)采用VC 60作為開(kāi)發(fā)工具，工控機(jī)的軟件程序采用模塊化編程，程序主要由串口通訊模塊、三點(diǎn)定位模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊及界面模塊組成,其循環(huán)通訊的流程如圖2所示。
圖2 循環(huán)通訊流程圖
2 實(shí) 驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
為了驗(yàn)證程序的可靠性和對(duì)比兩種超聲波發(fā)射傳感器在定位過(guò)程中的效果，做了水下定位實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是在9 m×7 m的長(zhǎng)方形水池中進(jìn)行的，水深25 cm左右。在實(shí)驗(yàn)之前在水平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，同時(shí)在r=3 300 mm的圓周上均勻放置三個(gè)超聲波接收傳感器，其坐標(biāo)(單位：mm)分別為(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中超聲波發(fā)射傳感器在此圓周內(nèi)移動(dòng)。
根據(jù)以前一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本次實(shí)驗(yàn)的軟件系統(tǒng)中對(duì)測(cè)距程序按下式進(jìn)行了修正：(單位：mm)
И
y=(x－240)/1083 6
(3)
И
2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(1) JSS-03型超聲波發(fā)射傳感器
該傳感器的最佳發(fā)射頻率為10 kHz，發(fā)射面為一個(gè)平面，波束角為60°，其指向性很強(qiáng)，在此定位系統(tǒng)中，3個(gè)接收傳感器都能夠收到該發(fā)射傳感器的信號(hào)，但在其波束角內(nèi)的接收傳感器接收的信號(hào)比其他兩個(gè)強(qiáng)，這就影響了接收傳感器觸發(fā)時(shí)的靈敏性。
如圖3所示，中間的實(shí)線圓為經(jīng)過(guò)非線性優(yōu)化過(guò)的發(fā)射傳感器的移動(dòng)軌跡，半徑為3 204 mm，這些定位點(diǎn)分散在軌跡圓的周?chē)鈧?cè)的虛線圓為偏離原點(diǎn)最遠(yuǎn)點(diǎn)所在的圓，內(nèi)側(cè)的虛線圓為距離原點(diǎn)最近的點(diǎn)所在的圓，最大誤差為808%，這些誤差主要來(lái)自于發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差和測(cè)距產(chǎn)生的誤差。
圖3 JSS-03型傳感器定位結(jié)果圖
圖4 LYF-20型傳感器定位圖
(2) LYF-20型圓周發(fā)射傳感器
復(fù)制的最佳發(fā)射頻率為22 kHz，發(fā)射面為圓柱面，他的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)于三個(gè)接收傳感器而言發(fā)射中心是固定的，并且他們接收的信號(hào)強(qiáng)弱一致，但他的指向性不強(qiáng)，由于信號(hào)分散，故其發(fā)射的信號(hào)弱于JSS-03型傳感器。如┩4所示。由于從發(fā)射源頭就避免了發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差，所以他的定位精度較高，主要誤差來(lái)自于測(cè)距誤差，其優(yōu)化后的軌跡圓半徑為3 154 mm，最大誤差為378%。在此可以看出，頻率對(duì)超聲波的測(cè)距是有很大影響的，頻率越大，精度越高。
3 結(jié) 語(yǔ)
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，定位系統(tǒng)是可行的，有較高的可靠性，并且本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可達(dá)1 s，其精度也可以達(dá)到我們預(yù)期的效果，但是硬件系統(tǒng)還有提升的空間。研究?jī)?nèi)容對(duì)水下機(jī)器人的定位，信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)榷加袇⒖純r(jià)值。[LL]
參 考 文 獻(xiàn)
［1］俞竹青.那須康雄.超聲波網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航中移動(dòng)機(jī)器人的位置計(jì)算［J］.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用,2002(3):36-39.
［2］桑金.水深測(cè)量中的聲速改正問(wèn)題研究［J］.海洋測(cè)繪，2006,26(3):17-20.
篇10
FPGA的硬件資源極為豐富，預(yù)留的引腳接口眾多，這也為小車(chē)B后功能的升級(jí)留有可能性。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：對(duì)傳統(tǒng)的超市手推車(chē)的智能化改造：利用FPGA的多傳感器接入：電機(jī)PWM的數(shù)字控制精確度高：系統(tǒng)多功能，具有擴(kuò)展性。
硬件介紹及系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的超市手推車(chē)智能跟隨購(gòu)物的功能，為了實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)環(huán)境的感知與小車(chē)自動(dòng)行使的功能、本作品采用了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，分別針對(duì)不同的功能模塊，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的IP核，在FPGA內(nèi)部完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析。由于系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，體積也滿足了設(shè)計(jì)需求。
硬件介紹
基于小車(chē)需要對(duì)周?chē)h(huán)境信息的改變做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)采用了雙紅外線傳感器與超聲波傳感器采集距離與方向信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA。經(jīng)過(guò)FPGA的處理，通過(guò)PWM控制減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。另外，RFID電子標(biāo)簽作為智能小車(chē)唯一的開(kāi)啟鑰匙、不但提高了小車(chē)使用的安全性，也提高了使用過(guò)程中的便捷性。圖l所示為小車(chē)硬件設(shè)計(jì)的總體框圖。
系統(tǒng)采用的紅外線傳感器是E18-D80NK反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，是一種集紅外線發(fā)射與接受于一體的輕便型傳感器，可以測(cè)量0～80cm之間的障礙物，廣泛應(yīng)用于障礙物監(jiān)測(cè)、流水線計(jì)數(shù)、門(mén)禁系統(tǒng)等多種場(chǎng)合。傳感器自帶電位器旋鈕，可調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)距離，并可以輸出TTL的檢測(cè)信號(hào)給處理器。
系統(tǒng)采用的超聲波傳感器是SRF06型超聲波傳感器，這是一款帶溫度補(bǔ)償、集超聲波收發(fā)功能的全數(shù)字傳感器。可提供3cm-3.5m的非接觸式距離感測(cè)功能、包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。該超聲波傳感器采用四引腳與外界通信，其中除去電源與地線以外，還有一個(gè)信號(hào)輸入/輸出引腳，分別用于啟動(dòng)傳感器測(cè)距與發(fā)送測(cè)量信號(hào)。該產(chǎn)品具有品質(zhì)好、超快響應(yīng)、抗溫度干擾、與極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)利用FPGA的可編程及硬件實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地利用FPGA的硬件資源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)軟件編程的數(shù)據(jù)采集方法，保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確、高效。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)由五個(gè)模塊協(xié)同完成、包含了頂層模塊、超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊、超聲波接收信號(hào)模塊、左電機(jī)PWM模塊以及右電機(jī)PWM模塊。系統(tǒng)采用FPGA開(kāi)發(fā)板上提供的50MHz時(shí)鐘作為全局參考時(shí)鐘，通過(guò)FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)(PLL)對(duì)這一全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻處理，來(lái)滿足對(duì)不同模塊的時(shí)鐘要求。由于電機(jī)供電需要12V電壓驅(qū)動(dòng)。而FPGA開(kāi)發(fā)板以及傳感器模塊需要5V電壓供電，系統(tǒng)采用了光耦器件作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的核心器件，有效地隔離了高電壓(12V)可能對(duì)FPGA開(kāi)發(fā)板及傳感器模塊造成的損害。不同的傳感器需要有相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)、這就利用了FPGA的可重復(fù)編程的特性，依靠VHDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)加入的傳感器編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的IP核模塊、完成數(shù)據(jù)的綜合采集、處理過(guò)程，也使得日后小車(chē)功能的升級(jí)更加便利。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理
此部分對(duì)系統(tǒng)涉及到的頂層模塊、超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊、超聲波接收信號(hào)模塊、左電機(jī)PWM模塊以及右電機(jī)PWM模塊的編寫(xiě)及工作原理做了詳細(xì)的介紹。
頂層模塊設(shè)計(jì)
頂層模塊的主要功能是將以上提到的超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊、超聲波接收信號(hào)模塊、左電機(jī)PWM模塊以及右電機(jī)PWM模塊連接起來(lái)，主要使用了元件例化語(yǔ)句使得各個(gè)獨(dú)立的功能模塊得以連接，成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。另外，對(duì)紅外線傳感器模塊的控制也是在頂層模塊中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榧t外線傳感器采集到的信號(hào)是一組開(kāi)關(guān)量，在頂層模塊中可以很方便地將子模塊中采集到的信號(hào)量進(jìn)行匯總分析，判斷小車(chē)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)小車(chē)檢測(cè)到左或右方向有遮擋時(shí)，遮擋一側(cè)的電機(jī)仍然是由超聲波信號(hào)強(qiáng)度來(lái)驅(qū)動(dòng)，而另一側(cè)的電機(jī)則是被賦予一個(gè)高電平，意味著電機(jī)會(huì)被全速驅(qū)動(dòng)，這樣小車(chē)就會(huì)前往受到遮擋的一側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果安裝在小車(chē)兩側(cè)的紅外線傳感器都沒(méi)有受到遮擋，就會(huì)以超聲波傳感器的信號(hào)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。
超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊解析
SRF06型超聲波模塊的啟動(dòng)需要一個(gè)10μs的TTL高電平作為啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)超聲波模塊啟動(dòng)以后，模塊內(nèi)部會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。通過(guò)測(cè)量這期間的時(shí)間差就可以計(jì)算出物體與小車(chē)的距離。
clock是系統(tǒng)參考時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為50MHz，通過(guò)對(duì)這一時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，可以把高速時(shí)鐘信號(hào)降低為與超聲波啟動(dòng)信號(hào)一個(gè)數(shù)量級(jí)的IP核內(nèi)部時(shí)鐘，這樣計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)時(shí)可減少系統(tǒng)資源的開(kāi)銷(xiāo)。另一方面、由于超聲波的測(cè)距過(guò)程是一個(gè)實(shí)時(shí)不間斷的過(guò)程，因此超聲波也需要定時(shí)重復(fù)發(fā)送開(kāi)啟信號(hào)，計(jì)數(shù)器的另一個(gè)功能就是控制信號(hào)發(fā)送的頻率間隔，這里定義的是在500ms檢測(cè)一次距離的數(shù)據(jù)。
超聲波接收信號(hào)模塊
超聲波接收信號(hào)的作用是對(duì)超聲波測(cè)距返回信號(hào)的接收，通過(guò)接收到的信號(hào)計(jì)算出物體與小車(chē)之間的距離，并將計(jì)算后的信號(hào)值發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM模塊來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小車(chē)跟人速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。其中，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。
超聲波接收子模塊功能的實(shí)現(xiàn)是依靠?jī)?nèi)部分頻器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)機(jī)以及發(fā)送器這些進(jìn)程并行實(shí)現(xiàn)的。分頻器主要是為狀態(tài)機(jī)分頻出進(jìn)程所需的參考時(shí)鐘，由于狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換主 要是依靠超聲波信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出的使能信號(hào)作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)志，所以時(shí)鐘需要與發(fā)送的使能信號(hào)進(jìn)行匹配后才能準(zhǔn)備接受。
計(jì)數(shù)器在這個(gè)模塊的作用有兩個(gè)：其一，當(dāng)接收信號(hào)端口接收到發(fā)送信號(hào)端口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，狀態(tài)機(jī)從idle空閑狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，在狀態(tài)l中，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)，直到接收信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)發(fā)生跳轉(zhuǎn)，這時(shí)狀態(tài)機(jī)再次發(fā)生狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。由狀態(tài)1跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，并關(guān)閉計(jì)數(shù)器，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送器準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)到PWM模塊。其二，計(jì)數(shù)器的男一個(gè)作用是對(duì)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)3跳轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)的控制，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)傳遞到發(fā)送模塊以后、需要對(duì)狀態(tài)機(jī)及時(shí)復(fù)位，為更新的信號(hào)做好準(zhǔn)備，這時(shí)使用了一個(gè)計(jì)數(shù)器在10個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束后，自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)機(jī)回歸到初始狀態(tài)。
發(fā)送器的作用主要是連接了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM模塊、將通過(guò)計(jì)數(shù)器得到的時(shí)間數(shù)據(jù)以電機(jī)控制端口做實(shí)時(shí)的發(fā)送，并在每一次發(fā)送結(jié)束后自動(dòng)清零。
電機(jī)PWM轉(zhuǎn)速控制模塊
PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵谌我庖粋€(gè)時(shí)刻，滿幅值的直流電是在有或無(wú)的概率出現(xiàn)的，只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，如圖4所示。
電機(jī)PWM轉(zhuǎn)速控制模塊內(nèi)部是由兩個(gè)分頻器、一個(gè)計(jì)數(shù)器以及一個(gè)數(shù)字比較器組成。分頻器1為數(shù)字比較器提供了所需的時(shí)鐘信號(hào)，由于控制信號(hào)的產(chǎn)生最終要通過(guò)光耦元件驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的光耦元件是低速光耦，這里的分頻主要是考慮了對(duì)光耦能支持的最高速度進(jìn)行了調(diào)整，保證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的完整性。分頻器2為計(jì)數(shù)器提供了所需的時(shí)鐘信號(hào)，考慮到超聲波測(cè)量的距離范圍在3cm-3.5m之間，因此可以算出超聲波測(cè)距一次的最短與最長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)這個(gè)時(shí)間，我們通過(guò)分頻器二控制了超聲波讀取數(shù)據(jù)的周期，這樣可以保證超聲波數(shù)據(jù)的有效性與實(shí)時(shí)性。
計(jì)數(shù)器的主要功能是捕獲來(lái)自超聲波接收模塊發(fā)出的電機(jī)控制使能信號(hào)，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是100級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，所以計(jì)數(shù)器采得的數(shù)值也會(huì)在0～100之間，當(dāng)這一使能信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)停止工作，清零并將所記得數(shù)值發(fā)送到比較器一端。數(shù)字比較器是PWM控制的核心部分，通過(guò)將采得的數(shù)值與一個(gè)固定數(shù)值的比較，就可以調(diào)節(jié)高低電平的輸出寬度，這樣就達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的行徑路線的360°控制，我們分別對(duì)左右輪電機(jī)編寫(xiě)了兩組PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊，獨(dú)立控制左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
系統(tǒng)仿真結(jié)果
FPGA仿真為數(shù)字系統(tǒng)提供了與設(shè)計(jì)芯片功能等價(jià)的硬件原型，以接近實(shí)際運(yùn)行速度的方式執(zhí)行設(shè)計(jì)模型。利用測(cè)試向量或通過(guò)真實(shí)目標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)，驗(yàn)證和測(cè)試芯片的邏輯功能，具有速度快，響應(yīng)真實(shí)，并充分考慮了電路的時(shí)序要求。因此本設(shè)計(jì)中利用Xilinx公司的FPGA開(kāi)發(fā)軟件ISE10.1對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)的各部分功能模塊進(jìn)行功能仿真以及時(shí)序仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
圖5所示為當(dāng)超聲波傳感器的輸入端接收到10μs的TTL高屯平后，在超聲波傳感器內(nèi)部會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生8個(gè)40kHz的方波信號(hào)，然后通過(guò)接收模塊接收到的反射波來(lái)產(chǎn)生一個(gè)高電平，這個(gè)高電平的時(shí)間就是超聲波測(cè)到的監(jiān)測(cè)距離，通過(guò)仿真，我們驗(yàn)證了功能的實(shí)現(xiàn)。
本文利用Digilent公司的Basys開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合了多傳感器的接入與電機(jī)的控制、射頻識(shí)別模塊以及對(duì)超市小車(chē)的機(jī)械改造、最終實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的自動(dòng)跟隨購(gòu)物，并在此基礎(chǔ)上附加了語(yǔ)音導(dǎo)購(gòu)功能，圖6是經(jīng)過(guò)改造的超市購(gòu)物小車(chē)。
篇11
Hardware System Design Based on Multi-Sensor Intelligent Wheelchair
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational College,Shijiazhuang 050081,China)
Abstract:High-performance low-cost intelligent wheelchair can greatly improve today's elderly and disabled users of the quality of life,safe and convenient to use people to their destination,during operation,the smart wheelchair can accept user issued the directive,according to the designated routes,so the design of intelligent wheelchair in the perception of the environment is an integral part of this paper,the context-aware intelligent wheelchair part of the multi-sensor system architecture,component design analysis and interpretation.
Keywords:Intelligent wheelchair;Sensor;System;Positioning
一、傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
能夠?qū)崿F(xiàn)智能輪椅的總功能主要有：定位系統(tǒng)，環(huán)境感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)交互界面等功能。因此該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構(gòu)成，對(duì)于姿態(tài)傳感器主要用來(lái)調(diào)整輪椅自身的位姿信息；編碼器傳感器是位移速度和距離獲得自定位的信息采集源；視覺(jué)、超聲波和接近開(kāi)關(guān)主要負(fù)責(zé)持續(xù)獲得周?chē)h(huán)境和輪椅位于障礙物的距離等的信息。驅(qū)動(dòng)控制模塊我們采用電機(jī)控制后輪驅(qū)動(dòng)的方式，在控制器的操作去控制電動(dòng)輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。
圖1：智能輪椅硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
二、多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理
該智能輪椅有2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪并各自配有電機(jī)碼盤(pán)。電機(jī)碼盤(pán)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)構(gòu)成了里程計(jì)式相對(duì)定位傳感器，并安裝有傾角傳感器和陀螺儀傳感器來(lái)測(cè)量輪椅在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的姿態(tài)。超聲波傳感器和接近開(kāi)關(guān)用于感知周?chē)h(huán)境信息。為能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的障礙物信息，還配備了超聲波傳感器。還配備了CCD圖像傳感器用于判斷前方行進(jìn)路程中的深度信息。
三、姿態(tài)傳感器
該智能輪椅設(shè)計(jì)采用了一個(gè)傾角傳感器和一個(gè)陀螺儀的組合來(lái)構(gòu)成姿態(tài)傳感器檢測(cè)車(chē)體平臺(tái)的運(yùn)行姿態(tài)。傾角傳感器用來(lái)測(cè)量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來(lái)測(cè)量角速度。
以TMS320LF2407A為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器，根據(jù)編碼器和姿態(tài)傳感器檢測(cè)到的平臺(tái)運(yùn)行的位移和姿態(tài)信號(hào)，通過(guò)一定的控制策略計(jì)算出控制量，再經(jīng)脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨時(shí)調(diào)整車(chē)體平臺(tái)的運(yùn)行速度，從而使車(chē)體平臺(tái)始終保持平衡狀態(tài)。控制電路原理圖如圖2所示。控制板采集來(lái)自傾角和角速度傳感器的信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理（濾波、整形、偏移），然后將信號(hào)傳送到控制板中，經(jīng)過(guò)DSP的運(yùn)算處理（控制算法由電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)而出），通過(guò)DSP的兩路脈寬調(diào)制將控制信號(hào)發(fā)出，再經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制輪椅保持平衡狀態(tài)。
圖2：控制電路原理圖
四、多路超聲波測(cè)距模塊
本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測(cè)量障礙物的距離，工作時(shí)，由單片機(jī)通過(guò)三路信號(hào)線選通多路模擬開(kāi)關(guān)，由多路模擬開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)每一路超聲波傳感器的通斷。每一路超聲波傳感器工作時(shí)，都由單片機(jī)的I/O口發(fā)射出頻率為40kHz，幅值為5V的矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路，變成穩(wěn)定的12V矩形脈沖信號(hào)，由超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收，經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波放大集成電路，觸發(fā)單片機(jī)中斷。由單片機(jī)計(jì)算渡越時(shí)間，從而計(jì)算出障礙物的距離。
五、編碼器
編碼器是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者稱(chēng)為碼盤(pán)，后者稱(chēng)為碼尺．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過(guò)“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來(lái)將采集來(lái)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。
產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入序列的4倍，且把這個(gè)時(shí)鐘作為通用定時(shí)器2的輸入時(shí)鐘。圖4給出了正交編碼脈沖、增減計(jì)數(shù)方向及時(shí)鐘的波形。
圖4：編碼器輸出脈沖圖
篇12
Key words： high sensitive ultrasonic sensor；mobile robot；CAN bus
中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）04-0200-02
1 概述
要想使自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)完成避障、環(huán)境地圖的建立、定位、路徑規(guī)劃等任務(wù)，機(jī)器人必須具備實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息的能力，而這離不開(kāi)實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)的支持。因此在移動(dòng)機(jī)器人中開(kāi)始越來(lái)越多的應(yīng)用各類(lèi)傳感器，比如超聲波、激光、紅外、視覺(jué)等。在移動(dòng)機(jī)器人感知系統(tǒng)中聲吶超聲波傳感器的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)槠渚哂刑幚硇畔⒑?jiǎn)單、性價(jià)比高、速度快、硬件實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)勢(shì)。需要注意的是要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知，單個(gè)超聲波傳感器是無(wú)法做到的，因此機(jī)器人的感知系統(tǒng)都是多個(gè)傳感器組成的，本文超聲波發(fā)射器逐個(gè)輪流發(fā)射，但所有接收器同時(shí)接收。傳感器布局如圖1所示[1]。
本文采用SensComp 600系列聲吶傳感器，該傳感器具有很強(qiáng)的接收靈敏度，因?yàn)樗鼘?500測(cè)距模塊和600系列超聲波探頭、探頭中心頻率50kHz整合起來(lái)了。該傳感器的觸發(fā)方式有兩種，分別是內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)，I/O接口均兼容TTL邏輯電平，正常工作電壓范圍為6～24VDC[2]，波束角度15° （-6 dB），低響應(yīng)特性 量程：6英寸～35英尺 非常好的接收靈敏度，如圖2。
600系列同時(shí)具有發(fā)送和接收聲波的功能。在假設(shè)聲波的傳輸速度不變的情況下，通過(guò)測(cè)出聲波從發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)物體往返傳輸所需的時(shí)間，就可以測(cè)算出距離，超聲波測(cè)距數(shù)學(xué)公式如式（1）。
式（1）中，D（單位為m）表示聲波發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)物體的距離；t表示聲波往返發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)時(shí)間。式（2）中，T為絕對(duì)溫度；c0為聲波，表示當(dāng)0℃時(shí)，空氣中的傳播速度為331.4m/s。
SensComp 600系列聲吶傳感器的操作模式有單回波模式和多回波模式兩種。在單回波模式下，輸入引腳INIT電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)傳感器發(fā)送超聲波，然后等待發(fā)送的聲波反回，最后返回的信號(hào)被放大，并且在輸出引腳ECHO輸出高電平。從引腳INIT變?yōu)楦唠娖降紼CHO跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間即為聲波從傳感器到障礙物往返所用的時(shí)間。在實(shí)際測(cè)距的過(guò)程中，SensComp 600系列只需采用單回波模式即可。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
信息采集處理器對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言不可或缺，本文設(shè)計(jì)中采用的是美國(guó)SliconLabrary公司的單片機(jī)C8051F040。C8051F×××系列單片機(jī)具有很強(qiáng)的兼容性，因?yàn)槠渚哂?051兼容的微控制器內(nèi)核。片內(nèi)不僅具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件，還具有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等其它的很多數(shù)字外設(shè)部件，這就意味著其具有比標(biāo)準(zhǔn)8052更多的功能。C8051F040采用高速、流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核，功能強(qiáng)大。汝100KS/s的12位ADC、控制器局域網(wǎng)控制器（CAN），6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，溫度傳感器、可實(shí)現(xiàn)硬件的SPI，SMBus/IIC和兩個(gè)UART串行口，64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器等。可通過(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)配置在端口I/O引腳。該特性決定了用戶可以依據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。因此選用此單片機(jī)完全能滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)自主移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能模塊化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)組成如圖3所示。
整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收由CAN總線實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距和其它傳感器模塊通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與主控制器DSPIC30F4011指令的接收和測(cè)量結(jié)果的反饋，主控制器對(duì)超聲波測(cè)距模塊、其它傳感器模塊采集到的信息進(jìn)行融合，識(shí)別當(dāng)前環(huán)境，從而控制命令對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障導(dǎo)航。
DSPIC30F4011屬于16位單片機(jī)，是Microc hip公司新推出的DSPIC30F系列中的一款。由于DSPIC30F4011將單片機(jī)和DSP有機(jī)的結(jié)合在一起，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使得DSPIC30F4011不僅具有單片機(jī)的所有優(yōu)勢(shì)，還具有DSP的高速運(yùn)算能力。片上集成的CAN模塊，可以實(shí)現(xiàn)其與其它數(shù)字信號(hào)控制器或CAN模塊的通信，并且通信不受周遭環(huán)境的干擾，DSPIC30F4011單片機(jī)上集成的CAN模塊也是一個(gè)通信控制器，可以實(shí)現(xiàn)BOSCH規(guī)范中定義的CAN 2.0 A/B 協(xié)議。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)首先要進(jìn)行輸入輸出初始化，然后對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)初始化。在CAN網(wǎng)絡(luò)初始化后，各個(gè)控制器才會(huì)遵循CAN2.0B通訊協(xié)議。對(duì)CAN總線上的信息進(jìn)行接收。如圖4所示。
C8051F040有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，PCA捕捉中斷程序，流程圖如圖5，其目的是完成超聲波傳輸時(shí)間檢測(cè)，PCA設(shè)置為上升沿捕捉模式。在超聲波傳感器引腳INIT上升沿起，PCA開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)PCA的引腳跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，即傳感器ECHO變?yōu)楦唠娖綍r(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。但如果超過(guò)一定時(shí)間一直沒(méi)有收到回波，就要重新進(jìn)行下次測(cè)量。
4 系統(tǒng)精度測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)
為標(biāo)定系統(tǒng)測(cè)量精度，采用硬平木板作為障礙物進(jìn)行測(cè)量，并用鋼卷尺測(cè)量實(shí)際距離。在前左方45度角，前右方45度角，左側(cè)，右側(cè)，后方左側(cè)45度角，后方右側(cè)45度角進(jìn)行測(cè)量精度試驗(yàn)，系統(tǒng)測(cè)量范圍為15cm～200cm，驗(yàn)證多傳感器自主移動(dòng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知情況。由于門(mén)電路延時(shí)等原因，測(cè)量距離要大于實(shí)際距離。超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值數(shù)據(jù)比較，具體如表1表示。
5 結(jié)論
設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線通訊的多傳感器測(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，制定了CAN總線的通信協(xié)議。采用SensComp600聲吶傳感器和單片機(jī)C8051F040設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測(cè)距，只需很少的硬件即可。不足之處是，由于SensComp600聲吶傳感器受溫度影響較嚴(yán)重，改系統(tǒng)中沒(méi)有進(jìn)行溫度補(bǔ)償，會(huì)影響實(shí)際的測(cè)量數(shù)值。另外單片機(jī)C8051F040功能沒(méi)有全部使用，可以設(shè)計(jì)更多功能，來(lái)擴(kuò)展該系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)：
[1]李亞楠，王金柱，馬繼存，孫文理.基于C8051F352單片機(jī)的彈道參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015-05-20.
篇13
文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0137-04
Design of Solar Ultrasonic Guide Device
WU Fei-bin, ZHANG Jin-ping, CHEN Wen-juan
(College of Physical Science and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266555, China)
Abstract： In order to help blind people overcome the difficulties of walking inconvenience, the design method and work principle of solar ultrasonic guide device based on single-chip microcomputer is introduced. This design includes five modules such as main control circuit, temperature compensation, voice alarm, range setting and the solar power function. Its characteristics include that the temperature compensation technique can improve the guide accuracy; the solar power module is energy-efficient which can overcome the difficulty of charging inconvenient; the intelligent alarm module can improve the use effect of guide device.
Keywords： solar energy; temperature compensation; ultrasonic distance measurement; guide device
0 引 言
為了更好地幫助盲人行走，各科研機(jī)構(gòu)研制了各種電子導(dǎo)盲設(shè)備。傳統(tǒng)電子導(dǎo)盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時(shí)間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測(cè)精度不高；操作復(fù)雜，并且造價(jià)昂貴。
超聲波［1］測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)方式，利用其可測(cè)范圍廣，不受光線和被測(cè)物體顏色的影響等優(yōu)勢(shì)，可以解決很多問(wèn)題，在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、精確定位和交通安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［2-5］。目前超聲測(cè)距實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度［6］上能達(dá)到使用的要求，因此可以很好地使用于導(dǎo)盲器的研制中。
1 超聲波傳感器及測(cè)距的原理
超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器，或是超聲波探頭。超聲波探頭材料是壓電晶體或壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱(chēng)為壓電式超聲波探頭，利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的，其壓電效應(yīng)具有可逆性。逆壓電效應(yīng)是將高頻脈沖轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應(yīng)是將高頻機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號(hào)，作為接收探頭。
超聲波測(cè)距的原理一般是回波渡越時(shí)間法，即檢測(cè)從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)的傳播，與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波，并被超聲波接收探頭接收的時(shí)間差Δt，即渡越時(shí)間，求出聲源到障礙物的距離S，計(jì)算公式為：
2 實(shí)驗(yàn)裝置與控制方法
本項(xiàng)目研究的太陽(yáng)能超聲波導(dǎo)盲器從功能上分為太陽(yáng)能供電、語(yǔ)音報(bào)警、量程設(shè)置、溫度檢測(cè)、主控制系統(tǒng)等五個(gè)模塊，其原理框圖如圖1所示。
太陽(yáng)能電池板固定在導(dǎo)盲器支架頂端，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接到可充電的鎳氫電池為導(dǎo)盲器提供5 V直流電。超聲波傳感器和溫度傳感器固定在導(dǎo)盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時(shí)，先選擇量程，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，并將檢測(cè)到的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正。在量程范圍內(nèi)，當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物時(shí)，信號(hào)被反射回來(lái)，并被超聲波傳感器接收。信號(hào)發(fā)射到接收的時(shí)間差與障礙物的位置有關(guān)，單片機(jī)通過(guò)分析超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間差，可以計(jì)算出障礙物的距離，并執(zhí)行報(bào)警程序，語(yǔ)音報(bào)警聲可以通過(guò)耳機(jī)接線口連接到耳機(jī)。
2.1 主控制模塊
主控制模塊主要由單片機(jī)進(jìn)行控制，包括了超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，由于要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會(huì)隨傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離傳播回來(lái)的信號(hào)比較弱，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)信號(hào)放大。
2.1.1 超聲波發(fā)射電路
發(fā)射電路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成，單片機(jī)P2.0端口輸出的40 kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波傳感器的另一個(gè)電極。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻既可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，也可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。其原理圖如圖2所示。
2.1.2 超聲波接收電路
超聲波接收器采用與發(fā)射器相配對(duì)的TCT40-2S，將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為40 kHz的電壓信號(hào)。集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片，內(nèi)置前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路等。其中前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可保證在超聲波接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)而輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載。考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖3所示。利用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。
2.2 溫度補(bǔ)償模塊
由于超聲波屬于聲波范圍, 其波速v與溫度有關(guān), 聲波速度受溫度影響較大。其傳播速度與溫度T的關(guān)系為:
增加溫度傳感器，檢測(cè)裝置工作時(shí)的溫度，將接收到的溫度信息傳至單片機(jī)，對(duì)超聲波的速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償,可以校正超聲波的傳播速度, 提高測(cè)量精確度。利用集成溫度傳感器 DS18B20和AT89S52單片機(jī)為主體, 可以構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字溫度檢測(cè)系統(tǒng)［7］，其電路如圖4所示。DS18B20溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測(cè)的溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，實(shí)現(xiàn)9~12位的A/D轉(zhuǎn)換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，同時(shí)可靠性更高。
2.3 語(yǔ)音報(bào)警模塊
普通導(dǎo)盲器的報(bào)警方式比較簡(jiǎn)單，或者是單一的蜂鳴器報(bào)警，或者只有語(yǔ)音報(bào)警，二者都存在缺陷。結(jié)合兩種報(bào)警方式，設(shè)置蜂鳴器和語(yǔ)音芯片作為聲音報(bào)警器，使用者若選用語(yǔ)音芯片，系統(tǒng)可根據(jù)距離探測(cè)的結(jié)果語(yǔ)音報(bào)出障礙物的距離，也可以根據(jù)需要選擇蜂鳴器直接報(bào)警。在近距離模式中，可以用蜂鳴器的頻率來(lái)表示距離的遠(yuǎn)近，遠(yuǎn)的時(shí)候采用低頻率的蜂鳴聲，近的時(shí)候采用頻率高的蜂鳴聲，使用者可以根據(jù)聲音頻率的高低快速準(zhǔn)確地判斷前方障礙物的大致距離。在遠(yuǎn)距離模式中，采用語(yǔ)音報(bào)警模式來(lái)表示前方障礙物的距離，語(yǔ)音報(bào)警模塊采用的語(yǔ)音芯片是WT588D。
語(yǔ)音系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示，分語(yǔ)音存儲(chǔ)和語(yǔ)音播放兩部分。系統(tǒng)利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為可判斷語(yǔ)音芯片播放哪段語(yǔ)音的判斷信號(hào)。然后驅(qū)動(dòng)耳機(jī)播放聲音信號(hào)，利用WT588D VoiceChip軟件可以對(duì)語(yǔ)音芯片進(jìn)行編輯、聲音錄入等操作［8］。
2.4 量程設(shè)置模塊
本裝置預(yù)設(shè)遠(yuǎn)距、中距、近距三個(gè)量程用來(lái)控制報(bào)警的距離，系統(tǒng)初始報(bào)警距離為近距1 m，按中距和遠(yuǎn)距按鍵可分別將初始報(bào)警距離設(shè)為3 m和6 m。
2.5 太陽(yáng)能供電模塊
通過(guò)太陽(yáng)能光伏電池發(fā)出的直流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并以可充電的鎳氫電池作為積蓄太陽(yáng)能發(fā)電板的剩余電力的設(shè)備。太陽(yáng)能供電模塊由太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能控制器、蓄電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器等組成，如圖6所示。太陽(yáng)能控制器可以控制蓄電池對(duì)太陽(yáng)能的采集和儲(chǔ)存的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。
3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 算法設(shè)計(jì)
本裝置軟件的控制核心為AT89S52單片機(jī)［9］，單片機(jī)通過(guò)讀取量程設(shè)置值和溫度值對(duì)初始設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行修改，控制發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，為了避免接收傳感器直接接受發(fā)出的超聲波，可在發(fā)射超聲波后設(shè)置一段延時(shí)。當(dāng)超聲波探測(cè)器探測(cè)到回波時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，根據(jù)回波測(cè)距原理計(jì)算出障礙物距離，并執(zhí)行報(bào)警程序［10］，程序流程圖如圖7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每個(gè)計(jì)數(shù)就是1 μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間)按式(3)計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離S，假設(shè)溫度為20 ℃，則對(duì)應(yīng)聲速v為344 m/s,則有:
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)中選用一紙箱作為障礙物，將報(bào)警模塊換為液晶顯示器進(jìn)行定量測(cè)量，不同氣溫下在同一點(diǎn)位置測(cè)量5個(gè)值，添加溫度補(bǔ)償和量程選擇，得到如表1所示結(jié)果。
由此可以看出，本實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差較小，但是由于盲區(qū)的出現(xiàn)，所測(cè)的結(jié)果不能與標(biāo)準(zhǔn)值完全相等。并且當(dāng)障礙物距離比較近時(shí)，測(cè)量精確性較高；障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，精確性相對(duì)較低；這是由于距離較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波回波信號(hào)較弱，噪聲較大，容易產(chǎn)生誤差。
4 結(jié) 語(yǔ)
目前導(dǎo)盲器的研究較多，本實(shí)驗(yàn)提出的設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)是以太陽(yáng)能作為系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，采用半導(dǎo)體數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的溫度測(cè)量和補(bǔ)償，從而對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)引起測(cè)量誤差的因素進(jìn)行修正處理，可以提高導(dǎo)盲器的導(dǎo)盲精度及靈敏度。由于預(yù)留了單片機(jī)引腳，便于進(jìn)行功能拓展，同時(shí)導(dǎo)盲器系統(tǒng)以模塊化進(jìn)行組裝，適宜增加其他功能模塊。例如可以添加GPS定位器，可以幫助盲人家屬及時(shí)了解盲人的行蹤，避免盲人走失。而且本設(shè)計(jì)具有操作簡(jiǎn)便、體積較小等優(yōu)點(diǎn),因此可以很好地應(yīng)用于實(shí)際生活中。
參 考 文 獻(xiàn)
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［8］肖炎根.基于超聲波的語(yǔ)音測(cè)距儀的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(11):127-130.
［9］龍威林,楊冠聲,胡山.單片機(jī)應(yīng)用入門(mén)：AT89S51和AVR［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.
