崔慧海，李焱，周歆

（1.國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073；2.寧波電業(yè)局計(jì)量中心浙江寧波315040）

在地面自主車輛（ALV）的研究中，障礙檢測(cè)傳感器是ALV導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前，在自主車上使用的測(cè)障傳感器主要有激光雷達(dá)、CCD雙目視覺(jué)、超聲波傳感器，以及紅外傳感器。相比其它類型的傳感器，超聲測(cè)障傳感器具有價(jià)格低廉、可以全天候工作，以及不受光照、電磁、煙霧和粉塵等因素的干擾等優(yōu)點(diǎn)。自主車輛在野外環(huán)境行駛過(guò)程中，要求測(cè)障傳感器具備探測(cè)10～20 m范圍的能力，然而現(xiàn)有車載超聲傳感器一般作用距離只有幾米，而且波束角較大、空間分辨率低，難以滿足遠(yuǎn)距離測(cè)障的要求。因此，研制遠(yuǎn)距離超聲測(cè)障系統(tǒng)，對(duì)于提高自主車在野外環(huán)境的環(huán)境感知能力具有重要的意義。國(guó)內(nèi)在面向地面自主車輛的遠(yuǎn)距離超聲測(cè)障傳感器的研究方面雖然已取得了初步的成果[1-3]，但還沒(méi)有形成能與自主車控制系統(tǒng)集成的超聲測(cè)障系統(tǒng)。

筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由超聲傳感器陣列構(gòu)成的遠(yuǎn)距離超聲測(cè)障系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)中的遠(yuǎn)距離超聲傳感器設(shè)計(jì)、基于車載CAN總線的通信模塊設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件進(jìn)行介紹。

1 遠(yuǎn)距離超聲傳感器設(shè)計(jì)

1.1 超聲換能器

本系統(tǒng)中使用的超聲換能器由縱向振動(dòng)換能器、半波長(zhǎng)錐形變幅桿和矩形彎曲振動(dòng)盤組成，工作頻率為23 kHz。

選用高指向性的超聲傳感器雖然提高了空間分辨率，但卻不能覆蓋車輛前方整個(gè)路面，探測(cè)范圍較小。為解決上述問(wèn)題，需將超聲傳感器組成陣列，在提高空間分辨率的同時(shí)提高探測(cè)覆蓋率。

1.2 時(shí)變?cè)鲆骐娐?/h3>

超聲測(cè)障傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一是超聲波回波接收電路，接收電路既要將遠(yuǎn)距離微弱的回波信號(hào)充分放大，又要減少死區(qū)距離、避免振蕩和降低噪聲。隨著探測(cè)距離變長(zhǎng)，超聲波回波信號(hào)快速衰減，相同障礙物對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)幅值會(huì)形成顯著的差異。為克服固定增益放大電路在遠(yuǎn)距離超聲測(cè)障應(yīng)用中面臨的困難，該系統(tǒng)基于TL026控制芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離超聲傳感器的時(shí)變?cè)鲆婵刂齐娐贰?/p>

野外環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超聲測(cè)障傳感器的探測(cè)距離達(dá)到20 m，波束角為±7°。

該系統(tǒng)遠(yuǎn)距離超聲傳感器的時(shí)變?cè)鲆骐娐凡捎肨L026作為超聲的初級(jí)輸入，由飛利浦公司的單片機(jī)P89LPC915調(diào)節(jié)增益控制電壓如圖1所示。P89LPC915包含1個(gè)8位、4路逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC1）和1個(gè)DAC模塊（DAC1），在3.3 MHz的ADC時(shí)鐘下，8位轉(zhuǎn)換時(shí)間≥3.9 μs。單片機(jī)在2次探測(cè)周期之間對(duì)TL026的REF腳進(jìn)行采樣，確定增益控制基準(zhǔn)電壓，避免了由于溫度變化造成基準(zhǔn)電壓的漂移。

圖1 時(shí)變?cè)鲆婵刂齐娐稦ig.1 Time varying gain control circuit

如果直接使用D/A輸出控制AGC腳電壓，雖然該方法控制起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但由于階躍信號(hào)含有各種頻譜，D/A輸出的微小跳變引起的輸出的跳變?cè)诤蠹?jí)的信號(hào)放大器中被放大，而且無(wú)法通過(guò)帶通濾波器消除，這增加了后續(xù)處理電路的難度和誤報(bào)率。筆者采用如下方法來(lái)解決上述問(wèn)題：1）死區(qū)期間，單片機(jī)輸出VDA，向C20迅速充電，使VC=VREF+200 mV，使增益接近于0，以衰減死區(qū)信號(hào)；2）死區(qū)結(jié)束時(shí)，VDA降為0 V，這時(shí)，電容通過(guò)R39和TL026的AGC腳放電；3）接收周期結(jié)束時(shí)，電容兩端電壓降為VC=VREF-200 mV達(dá)到最大增益。

2 通信模塊設(shè)計(jì)

2.1 通信硬件電路設(shè)計(jì)

筆者采用高集成度微控制器與CAN控制器構(gòu)造超聲測(cè)障系統(tǒng)的通信模塊硬件電路。每個(gè)超聲傳感器由微控制器89LPC915負(fù)責(zé)指令的解析、數(shù)據(jù)回傳及發(fā)射控制；由CAN控制器MCP2515負(fù)責(zé)CAN通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。通信模塊硬件框圖和電路圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 通信模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of communication module

圖3 通信模塊硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of communication module

其中，89LPC915是Philips公司生產(chǎn)的高集成度、低成本微控制器。MCP2515是MICRCHIP公司生產(chǎn)的帶SPI（Serial Peripheral Interface）接口的獨(dú)立CAN控制器。本系統(tǒng)中89LPC915作為主設(shè)備，提供SPI串行時(shí)鐘，負(fù)責(zé)向MCP2515寫入控制命令和待發(fā)送數(shù)據(jù)，MCP2515作為從設(shè)備，負(fù)責(zé)向89LPC915發(fā)送狀態(tài)改變中斷和接收到的數(shù)據(jù)。

2.2 通信軟件設(shè)計(jì)

傳感器與上位機(jī)的通信協(xié)議如表1、表2所示。

表1 傳感器接收指令表Tab.1 Receiving instruction of sensor

表2 傳感器發(fā)送指令表Tab.2 Sending instruction of sensor

傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)每組為3個(gè)字節(jié)，用來(lái)記錄渡越時(shí)間和回波大小。MCU根據(jù)接收到的回波數(shù)量動(dòng)態(tài)地決定每幀發(fā)送1組還是2組數(shù)據(jù)。CAN通信參數(shù)設(shè)置為：波特率設(shè)置為500 K，只接收標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)報(bào)文。11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的高8位用于傳感器編號(hào)，3-11位分別對(duì)應(yīng)1-8號(hào)超聲傳感器，這樣上位機(jī)只要將標(biāo)識(shí)符位置位，對(duì)應(yīng)的傳感器就能接收到指令，使上位機(jī)只要一條指令就能對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行控制。程序整體框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 Work flow chart of system

上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言編寫。本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線的控制和讀寫。CAN總線的設(shè)置程序如圖5所示。

圖5 LabVIEW程序框圖Fig.5 Program block diagram of LabVIEW

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在野外環(huán)境下，我們對(duì)遠(yuǎn)距離超聲傳感器的時(shí)變?cè)鲆骐娐返男阅苓M(jìn)行了測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加時(shí)變?cè)鲆骐娐泛螅▓D6（b）），相比固定增益（圖6（a）），近距離的超聲回波信號(hào)幅度沒(méi)有什么變化時(shí)，遠(yuǎn)距離的回波信號(hào)幅度和探測(cè)距離顯著增加。未增加死區(qū)衰減（圖6（c））時(shí)近距離的超聲回波信號(hào)被超聲頭余振信號(hào)覆蓋，死區(qū)距離較大，增加死區(qū)衰減和時(shí)變?cè)鲆妫▓D6（d））后，死區(qū)距離明顯減少。圖7為由3個(gè)超聲傳感器組成陣列的上位控制軟件界面，其左側(cè)為傳感器獲得的回波信號(hào)，右下方為陣列控制界面，右上方為通過(guò)算法獲得的障礙物位置。

圖6 超聲回波信號(hào)Fig.6 Sonar data signal

圖7 超聲測(cè)障系統(tǒng)界面Fig.7 Sonar obstacle detection systeminterface

4 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)距離超聲測(cè)障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于自主車控制系統(tǒng)CAN總線的遠(yuǎn)距離超聲傳感器陣列的控制和數(shù)據(jù)采集，具有較寬的探測(cè)范圍與較高的測(cè)距精度，該超聲測(cè)障系統(tǒng)對(duì)于提高越野環(huán)境下自主車的環(huán)境感知能力和可靠性具有重要作用。

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