摘 要： 給出了基于單片機控制的超聲波測距" title="超聲波測距">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統" title="測距系統">測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" title="超聲波測距系統">超聲波測距系統" 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關鍵詞： 超聲波 移動機器人 測距 避障
在移動機器人系統中，為完成移動機器人自主避碰導航，需要建立移動機器人的測距避碰導航系統。超聲波測距系統可以實現避障、定位、地圖構建和路徑規劃的功能。但超聲波傳感器具有測距角度不大和方向性差的特點，一路超聲波測距系統并不能完全滿足高精度的測距與避障要求。為了達到高精度、高準確性的要求，可在移動機器人的硬件構架中增加測距電路的通道數，對單一傳感器的角度局限性進行補償。本系統采用12路超聲波測距通道，利用角度補償方式使得前方主要障礙物的方位與距離信息更加準確。
超聲波測距多采用渡越時間法，通過檢測發射到返回的時間間隔進行距離的計算。由于時間與超聲波通過的距離成正比，當超聲波發射端發出幾個振蕩脈沖時，開始計時；而當超聲波接收端接收到第一個返回脈沖后，計時停止。測得距離值D=CT/2，其中D為傳感器探頭與被測物之間的距離，C為聲波在介質中的傳播速度(C=331.4×
m/s，t為攝氏溫度)，T為超聲發射到返回的時間間隔。
1 基于超聲波測距的機器人避障系統硬件框架
機器人避障系統主要結構如圖1所示。超聲波測距系統感測距離，再將距離信息送入基于PC104的主機486/SX，并由主機支配機器人運動部分躲避障礙物，完成整個避障過程。
1.1 超聲波發送電路
超聲波的發送電路原理圖如圖2所示。來自單片機的信號A觸發NE555定時器電路產生頻率為40kHz左右方波信號，經過CD4069六非門反相器進行功率放大，驅動超聲波發送傳感器T40-16，發送超聲波。
1.2 超聲波接收電路
當超聲波遇到障礙物返回時，超聲波接收傳感器R40-16接收回波，由于回波電壓值只在毫伏量級，所以采用LM324的兩級放大電路進行幅值放大，放大后的波形信號送到LM567集成鎖相環路解碼器，調節電阻與電容值，將頻率f鎖在40kHz(f=1/(1.1R11×C8))。當放大信號大于25mV時，就會在8引腳產生高電平信號B送到單片機處理。原理圖如圖3所示。
1.3 MCS-51單片機控制電路
超聲波收發電路" title="收發電路">收發電路主要完成數據的采集和初步處理，處理后的數據送到單片機，進行最終的數據處理。單片機控制電路主要完成發送與關閉控制信號、計時、接收回波信號和串口通信等工作。電路原理圖如圖4所示。
單片機對收發電路的控制主要是對發射超聲波控制電路進行計數初始化，單循環方式使12路發送電路依次發送和接收超聲波，單獨進行距離的時間計數。這樣的目的是使計數程序避免受硬件回波間的干擾影響，計數更準確。單片機只有8位的數據口，系統要對12路收發電路進行控制，故需要對單片機的I/O端口進行擴展。8255芯片有8位數據口，A、B、C三個輸入輸出端口，還有一個控制口。單片機的8位P1.0~P1.7口與8255的D0~D7相連接。而采用A口和C口低4位配合構成發送端口，12路輸出A1~A12正好滿足系統設計要求，同時B口和C口高4位配合工作構成12路接收端口B1~B12。利用Ai與Bi對應成為發送信號與回波信號，組成12路超聲波測距收發通道。12路的數據信息通過8255芯片進行傳遞，對12路收發電路進行實時控制。
單片機完成收發動作后就將計數器的計數值送到緩存區，等待與主機486/SX間的串口通訊，達成協議后即可將計數值送入主機。串口通訊硬件電路由具有電平轉換功能的MAX232芯片及外圍元件組成。
2 測距系統軟件設計
測距系統的軟件主要實現單片機的收發控制及其與主機486/SX間的串口通訊。軟件方框圖如圖5所示。測距軟件主要是順序循環進行，首先讓第一通道發送200μs的一段超聲波，啟動計數器。延時1.765ms的目的是為了避免超聲波的虛假回波影響，產生錯誤距離信息。在延時后開始接收回波，如果有回波就停止計數并將計數值送到主機486/SX。如果在40ms內沒有回波，停止計數并轉入下一通道，說明該通道在測距范圍內沒有障礙物。40ms是由測距的最大距離決定的。這樣就完成了一個通道的測距計數功能，同理依次循環就可以得到12路的計數信息。計數值送到基于PC104的主機486/SX后與溫度補償模塊測得的溫度值一起通過公式完成對距離的計算。當主機486/SX獲得周圍的障礙物距離值后，將支配機器人的執行機構運動模塊按最優路徑運動。
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3 超聲波測距系統在移動機器人系統中的應用
根據人類的自身特點，眼睛主要能看到前方大約180度的視野范圍。所以在移動機器人硬件結構中筆者采用12路超聲測距電路非均勻分布，移動機器人的前方分布6路、后方2路、左右各2路。前方6路與左右側的兩路呈等間隔角度分布，構成了180度的測距范圍。左右兩路和后方兩路分布只對一定寬度的單方向進行距離測量。這種方式補償了由于單一測距電路的測距角度小而造成的動作誤差，從而提高了獲得距離信息的可信度和避障的精度。超聲波測距電路分布簡圖如圖6所示，其中每一黑色塊代表一組收發電路，雙向箭頭表示超聲波傳遞方向。
本超聲波系統的測距范圍為30cm~650cm，誤差為±3cm。
當提供的驅動功率增大時，最大測距增大，但此時盲區也將增大。由于機器人的自身尺寸限制，在1.765ms的盲區約30cm左右，已經很大。所以為了減小盲區，必須犧牲測距最大距離。
測距系統僅僅能滿足水平方向上的距離測量，實現單一的避障功能。本實驗移動機器人系統還配備了全景視覺系統。全景視覺系統可以將環境內的物體圖像記錄于機器人主機中，并提供了環境障礙物的縱向距離信息。通過測距系統與360度的全景視覺系統間的信息融合，可以進行地圖的構建，實時定位，進而完成機器人的避障導航。
通過對12路測距電路設計與調試，證明了采用非均勻分布方式有效地增加了移動機器人的探測角度，在一次循環測距后得到周圍大范圍的障礙物的距離信息，為避障動作提供了最優的運動路徑。機器人獲得的距離信息可信度高、方向性好、避障動作準確。在移動機器人的應用中很好地完成了避碰導航和地圖構建任務。
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