1 工作原理和系統(tǒng)組成
1.1 工作原理
以透射式紅外光電傳感器和超聲波測距裝置相結(jié)合可實現(xiàn)對平面區(qū)域內(nèi)物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊和紅外接收模塊" title="接收模塊">接收模塊組成，當(dāng)收發(fā)模塊之間有物體遮擋光路時，將改變接收模塊的接收狀態(tài)，據(jù)此可非接觸探測物體是否存在。
如果把多個發(fā)射模塊和多個接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發(fā)兩側(cè)對應(yīng)位置上的紅外模塊一對一對地按順序輪流接通工作，對其間區(qū)域進行逐行掃描探測，則依據(jù)掃描結(jié)果不但可判斷該區(qū)域是否有物體存在，還可計算出物體的長度及其在該區(qū)域中的縱向相對位置。
超聲波測距通常采用渡越時間法，收發(fā)頭與被測物體之間的距離：
式中，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波的往返時間間隔。分別在物體兩側(cè)標(biāo)定位置安裝超聲波測距裝置，測出與物體的距離，就可計算出物體的寬度及其在該區(qū)域中的橫向相對位置。
1.2 系統(tǒng)組成
圖1為基于聲光探測的汽車定位系統(tǒng)的組成。
圖中單片機1、紅外發(fā)射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構(gòu)成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長度和縱向停車位置的測量。單片機2和4個超聲波測距裝置構(gòu)成的測距系統(tǒng)" title="測距系統(tǒng)">測距系統(tǒng)，用于車箱寬度和橫向停車位置的測量。
圖1 系統(tǒng)組成
其中紅外發(fā)射陣列和紅外接收陣列安裝于工作區(qū)域兩側(cè)車箱中部的高度，分別由N個發(fā)射模塊和N個接收模塊組成，它們均勻平行排列，收發(fā)一一對應(yīng)。4個超聲波測距裝置安裝在工作區(qū)域兩側(cè)，分成兩組，分別測量前部車箱和后部車箱。
主機對縱向檢測和橫向檢測的數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，判斷出工作區(qū)是否有車、哪種車型，并計算出汽車在區(qū)域中的停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。
2 紅外線電子移位逐行掃描電路設(shè)計和調(diào)試
2.1 電路設(shè)計
圖2為紅外線電子移位逐行掃描電路。圖中只畫出一對紅外發(fā)射和接收模塊的電路，并略去脈沖發(fā)生器電路。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生38 kHz的振蕩信號，經(jīng)過低頻脈沖調(diào)制后，送入發(fā)射模塊。紅外發(fā)射模塊的電子開關(guān)在控制信號為高電平時導(dǎo)通，把脈沖發(fā)生器送來的信號發(fā)射出去；紅外接收模塊的電子開關(guān)也在控制信號為高電平時導(dǎo)通，把紅外接收頭的接收狀態(tài)輸出，送至單片機1。電子移位電路由74LSl64串聯(lián)組成，有N個輸出端子，每一個輸出端子控制一個紅外模塊。開關(guān)信號是一個高電平脈沖，每個移位時鐘周期向前移動一位。由于收發(fā)兩側(cè)移位時鐘同步，所以，收發(fā)兩側(cè)對應(yīng)位置上的紅外模塊會一對一對地按順序輪流接通工作，由此達到電子移位逐行掃描的目的。
圖2
2.2 掃描速度和精度處理
掃描速度主要取決于移位時鐘的周期出，完成一次掃描的時間：
該電路中在△f≥2 ms時，具有良好的接收可靠性。單片機l通過程序控制，可使△t一2～10 ms，以滿足不同掃描速度的需要。紅外陣列中，相鄰模塊間距△Z就是縱向的最高定位精度。根據(jù)工作區(qū)域的縱向最大長度L的要求確定紅外陣列中模塊數(shù)量N，要求N×A／=L。
由于紅外陣列由N個功能相同的紅外模塊串聯(lián)而成，所以在制作時，以5～10個模塊做成一個電路板組件，并采用插拔式安裝結(jié)構(gòu)，各個組件電路相同，可相互替換、任意串聯(lián)，既能滿足不同工作區(qū)長度的要求，也可盡量減少現(xiàn)場更換故障模塊所需的時間。
現(xiàn)場安裝時，需要分段校準(zhǔn)，避免誤差累積。
2.3 掃描強度處理
在大霧或強降雨天氣，紅外線穿透能力下降，降低了紅外掃描" title="紅外掃描">紅外掃描的可靠性，通常以加大紅外發(fā)射功率來解決。為此，紅外掃描設(shè)置了普通、增強和超強三種掃描強度模式。普通模式的紅外掃描，紅外收發(fā)是“一對一”工作，同時只有1個紅外模塊發(fā)射，每次移動1位；增強模式的紅外掃描，紅外收發(fā)變?yōu)?ldquo;一對二”工作，同時有2個相鄰紅外模塊發(fā)射，每次移動1位；超強模式的紅外掃描，紅外收發(fā)變?yōu)?ldquo;一對三”工作，同時有3個相鄰紅外模塊發(fā)射。很顯然，后兩種模式的紅外發(fā)射功率分別是第一種模式的2倍和3倍。后兩種掃描模式的定位精度會有所降低，但最多不超過2△L。
2.4 紅外抗干擾處理
由于定位裝置在室外場地工作，在電路設(shè)計上應(yīng)考慮對日光等背景紅外線的抗干擾措施。具體采取了3項措施：
（1）封閉接收頭。將接收頭置于帶窗口箱體中，避免日光對其直接照射。
（2）動態(tài)紅外線發(fā)射。日光等背景紅外線一般不會有巨烈波動，因此，對紅外線進行脈沖調(diào)制，以動態(tài)紅外線發(fā)射效果較好。
（3）選用抗干擾接收頭。電路采用了抗干擾能直射日光紅外線干擾中有效檢出紅外線信號。為達到SBXl6i0—02接收頭最佳工作點，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的振蕩信號頻率應(yīng)在（38±0.5）kHz之間。
2.5 大跨度電子移位電路開關(guān)信號丟失處理
電子移位電路通常由約100片74LSl64串聯(lián)組成，電路長達數(shù)10 m，由于分布參數(shù)的影響，造成各片74LSl64的移位時鐘信號CLK的不同步，極易導(dǎo)致開關(guān)信號在移位過程中丟失，使掃描“半途而廢”。為此，對各片74LSl64的移位時鐘信號CLK，應(yīng)采用并聯(lián)驅(qū)動，并保證各片74LSl64的時鐘信號處于同一個驅(qū)動級上，同時盡量減小電路阻抗，提高驅(qū)動電路的功率。
3 測距系統(tǒng)電路設(shè)計和調(diào)試
圖3為測距系統(tǒng)電路。該電路由1個單片機和4組超聲波收發(fā)單元組成，圖中只畫出了一組超聲波收發(fā)單元。發(fā)射單元由40 kHz振蕩器和門電路構(gòu)成。門電路產(chǎn)生占空比很小的低頻脈沖信號，脈沖持續(xù)時間為160 its，脈沖間隔為30～50 ms（視需要調(diào)整）。此脈沖信號一路作為振蕩器的置位脈沖；另一路送給單片機，作為計時器的起始脈沖。在置位期間，振蕩器輸出經(jīng)調(diào)制的頻率為40 kHz的脈沖信號，由超聲波發(fā)射頭T40-16發(fā)射出去。回波的接收采用通用的FPS409I紅外接收組件，只是需要把紅外接收管PH302換為超聲波接收頭R40—16，這樣在有效的測距范圍，可保證接收到的信號其輸出達到TTL電平。接收信號經(jīng)整形放大后送入單片機，作為計時器的停止脈沖。單片機計算起始脈沖至停止脈沖之間的時間t，按照式（1）求出距離s。
圖3 測距系統(tǒng)電路
測距系統(tǒng)采用了“一拖四”的結(jié)構(gòu)，為避免多組超聲波單元互相干擾，它們應(yīng)在單片機控制下輪流工作。該電路中脈沖間隔為30～50 ms，對應(yīng)測距范圍約為5～15 m，如果測距范圍加大，需要增大脈沖間隔。另外，該測距電路存在約30 cm的測距盲區(qū)，測距裝置與測量對象間要保持30 cm以上的距離，同時單片機對起停脈沖計時時，也要避開盲區(qū)內(nèi)虛假停止脈沖的干擾。
4 控制軟件設(shè)計
控制軟件包括主機軟件和單片機軟件，主要軟件流程如圖4所示。單片機1產(chǎn)生紅外線電子移位逐行掃描電路所需的開關(guān)信號和移位時鐘，并在每個移位時鐘周期采集一次接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成一遍掃描后把數(shù)據(jù)上傳給主機；還可根據(jù)主機指令，通過程序控制改變掃描速度和掃描強度。單片機2分別控制檢測4個超聲波裝置，所計時間經(jīng)簡單處理后上傳給主機。由于存在盲區(qū)，要避開此區(qū)間過來的虛假停止脈沖的干擾，采用延時開中斷，即在起始脈沖啟動計時器計時后，等待盲區(qū)過去再開中斷，使單片機中斷口接收到實際有效停止脈沖停止計時器計時。主機程序以主動查詢方式輪流從兩個單片機讀取縱向檢測數(shù)據(jù)和橫向檢測數(shù)據(jù)，然后依照一定算法，對檢測數(shù)據(jù)進行處理、分析，先判斷是否有車，有車時判斷車型、計算停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。
主機軟件采用Delphi編寫，能進行測量參數(shù)顯示和工作參數(shù)設(shè)置。
圖4 主要軟件流程
5 測試與結(jié)果
測試在室外工業(yè)現(xiàn)場進行。工作區(qū)為5 m×21 ITI，紅外模塊的間距為5 cm，紅外收發(fā)陣列的模塊數(shù)均為425。連續(xù)對100輛汽車進行定位，包括多種車型，都定位成功。在白天和夜間各抽取5輛汽車的定位數(shù)據(jù)與實物數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場比對，結(jié)果如表1所示。車箱長度和前距測量誤差不超過5 cm，車箱寬度和邊距測量誤差不超過6 cln，單次定位時間最快可達1 s內(nèi)。
6 結(jié)語
結(jié)果表明，采用聲光探測技術(shù)可實現(xiàn)平面內(nèi)物體的非接觸定位。基于聲光探測的汽車定位系統(tǒng)，不論是定位速度、定位精度還是定位可靠性，都較當(dāng)前的其他定位方式有明顯的提高。目前該系統(tǒng)已被用于汽車物料自動取樣控制系統(tǒng)中，在多個鋼鐵電力企業(yè)得到應(yīng)用，運行效果良好。