1、I超声装置在移动机器人探测功能中的应用摘 要随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。在社会生活中超声装置在移动机器人探测功能中的应用已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声装置在移动机器人探测功能应用中控制系统的核心部分是超声波测距仪的研制。因此设计好的超声测距仪就显得非常重要了。针对移动机器人在移动过程中会遇到各种障碍物并需要合理的避开，以移动机器人为平台，利用超声测距原理，以单片机为核心设计一种基于超声装置的移动机器人避障系统。本设计采用以STC12C2052单片机为核心的低成本，高精度，微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个
2、电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声装置在移动机器人中的测距及避障。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，很好的应用于移动机器人探测功能中，以软硬件实现移动机器人利用超声装置实现测距以及避障功能，具有很好的实际意义。关键词：单片机；超声波；测距IIUltrasonic device application in mobile robot detection function
3、AbstractWith the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. Ultrasound device in the mobile robot detection function has a wide range of applications in social life, such as cars reversing radar， range finder and level measurement and so on. Control Sy
4、stem is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. For mobile robot moving process will encounter various obstacles and avoid to move reasonably， as a mobile robot platform, the use of ultrasonic ranging
5、 principle, a microcontroller as the core design of mobile ultrasound device based robot obstacle avoidance systemAt the core of the design using STC12C2052 mcu low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the wh
6、ole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of
7、each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is IIIsatisfactory. With hardware and software for mobile robot using an ultrasonic device to achieve distance and obstac
8、le avoidance capabilities. It can be good for the mobile robot detection function and have the actual significance.Key words:MCU;Silent Wave;Measure Distance1第1章 绪 论随着电子技术和计算机技术的发展, 移动机器人在降低劳动强度和生产成本方面起着日益重要的作用，许多应用场合都要求机器人在未知环境中能够自动识别行驶方向上的障碍物，超声波传感器成本低，可以实现非接触式的距离测量。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比,如电磁的或光
9、学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此超声装置在移动机器人探测功能等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。1.1 研究背景和意义超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、
10、机器人定位避障方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超2声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面
11、高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。超声波测距是一种极有潜力的方法，本文结合超声波的特性设计了一个简单实用的超声测距与避障系统。1.2 本领域的研究历史与现状目前国内超声波测距仪的发展主要采用引进加仿制等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。我国在该领域的发展相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。深圳长泉机电C可作连续测距和单次测距;可省电的自动关闭电源功能;公英制单位转换。 杰创立仪器有限公司生产的UD2500型超声波测距仪，可以实现公英制直接转换；测量基准选择；记忆/调出记忆数据；计算面积和体积；五组不同的记忆体；累加长度和；自动关机
12、功能；LED背光显示；按键声提示；出错声提示；确认声音提示:面积测量功能；距离测量功能；体积测量功能；累加求和功能。 国内外的学者在提高超声波测距精度方面也作了大量的研究，影响超声波测距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传3输时间的精度影响较大。许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精度，目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。厦门大学的童峰提出了一种回波轮廓分析法，该方法在测距中通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使测量精度有了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统
13、，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。1.3 课题主要内容和课题研究方案本课题主要内容是设计一个超声波测距与避障系统,由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。并且设计出移动机器人的避障系统，以躲避障碍物。课题研究方案是根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生
14、的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器压电式超声波换能器。4第2章 超声波测距系统的工作原理2.1 超声波概述声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这
15、种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下
16、，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量5计等。在声速已知的介质中，可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。由物理学可知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比
17、等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度与声速c的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)。超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面:(1)由于波前的扩展而产生的能量损失；(2)超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减；(3)由于介质内耗所产生的
18、吸收衰减。2.2 超声波传感器超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中，声波信号由传感器发出经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感器接收，可6以测量声波的整个运行时间，从而实现物位的测量。本仪器是现场监控系统的液位测量子功能模块。测距仪系统所用传感器是CUSS100 。CUSS100 超声波传感器采用声波反射原理，从而避免传感器直接与介质接触,实现非接触测量物位，这一点对固体散料、粘稠介质,固体、液体混合介质的物位测量非常重要。其最佳工作频率75 kHz，适于中程范围测量，最大量程10 m ，盲区20 cm，脉冲触发模式工作。此类传感器适应强,可在- 4090 环境下
19、正常工作,散射角最大15。为测量更精确，鉴于声速受温度影响最大,测距数据处理过程采用了温度补偿。且各种温度传感器均可用于本系统的温度补偿。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头3、4。压电式超声波传感器如图21所示。图2.1 超声波传感器结构图7压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和
20、实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应。逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质。正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收换能器。超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性。1、频率特性图22是超声波的频率特性曲线。图中,f0为超声波发射器的中心频率 ，在f0处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在f0处所产生的超
