吳 倩

(東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210096)

1 引言

定位的傳感器有很多，如視覺、聲納、超聲波、紅外線、羅盤等，這些傳感器中僅超聲波傳感器應(yīng)用于絕對(duì)定位中。由于超聲波在空氣中的衰減較大，只適用于較小的范圍。目前超聲波測(cè)距已有很成熟的技術(shù)，而超聲波定位的研究還在起步階段，且大多都只是研究利用超聲波傳感器在空間中定位單個(gè)靜止物體的位置。

本系統(tǒng)在超聲波測(cè)距的基礎(chǔ)上，利用FPGA 內(nèi)部高效率的處理能力，使多個(gè)超聲波傳感器分時(shí)工作并連續(xù)不斷地掃描超聲波傳感器前面一定范圍內(nèi)的障礙物情況，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過FPGA 內(nèi)部處理后可將障礙物的分布情況動(dòng)態(tài)地顯示在VGA 屏上，通過多個(gè)超聲波傳感器之間的協(xié)調(diào)工作達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波前面動(dòng)態(tài)情況的效果。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于無人場(chǎng)所中移動(dòng)和靜止物體的定位，如車輛行進(jìn)路線監(jiān)測(cè)，機(jī)器人避障等。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 超聲波測(cè)距原理

超聲波傳感器的發(fā)射端向空氣中發(fā)射特定頻率的超聲波，同時(shí)接收端探測(cè)來自某個(gè)物體的反射波。超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離s。系統(tǒng)利用FPGA 產(chǎn)生脈沖方波，放大后經(jīng)超聲波探頭產(chǎn)生40KHz的超聲波輸出。由于超聲波傳播速度受溫度T的影響較大，因此系統(tǒng)接入溫度傳感器，計(jì)算距離公式為:

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由FPGA 模塊、VGA 屏定位顯示模塊、LCD測(cè)距顯示模塊、溫度傳感器模塊及超聲波傳感器模塊組成。具體如圖1 所示。

圖1 多聲路超聲波障礙物定位系統(tǒng)組成

2.3 工作原理

系統(tǒng)啟動(dòng)后，由定時(shí)模塊產(chǎn)生5 路信號(hào)先后送往超聲波傳感器，產(chǎn)生超聲波。由正確回波驗(yàn)證模塊，傳感器傳播速度模塊，測(cè)距換算模塊，VGA 模塊，LCD 模塊構(gòu)成。對(duì)于超聲波接收模塊接收的信號(hào)，先用正確回波驗(yàn)證模塊驗(yàn)證接收信號(hào)中是否存在一定連續(xù)數(shù)目的傳感器工作頻率的信號(hào)，如是則計(jì)算回波時(shí)間差，并將結(jié)果送至測(cè)距換算模塊，否則不作處理。同時(shí)使用溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)送往傳感器傳播速度模塊處理可獲得超聲波在環(huán)境中的傳播速度，并將結(jié)果送至測(cè)距換算模塊，在測(cè)距換算模塊中計(jì)算出對(duì)應(yīng)的距離數(shù)值，并經(jīng)過VGA 模塊和LCD 模塊的處理后將結(jié)果分別顯示在VGA 屏和LCD 屏上。

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 FPGA 芯片EP2C8Q208C8N 簡(jiǎn)介

FPGA 選 用 Altera 公 司的 Cvclone Ⅱ系 列EP2C8Q208C8N。該芯片有8256個(gè)邏輯單元(LE)，包括嵌入式18bit ×18bit 乘法器、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、4 Kbit 嵌入式存儲(chǔ)器塊、鎖相環(huán)(PLL)和高速差分I/O 能力，是一款高速度、高密度、高性能、低成本的FPGA。FPGA 包括超聲波發(fā)送處理模塊、超聲波接收處理模塊、VGA 模塊、溫度傳感器模塊等。

3.2 超聲波傳感器收發(fā)模塊

為有效測(cè)量障礙物位置，5個(gè)超聲波傳感器成對(duì)使用，每對(duì)傳感器并排擺放。程序啟動(dòng)后，由定時(shí)選擇模塊根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)產(chǎn)生5 路信號(hào)，連續(xù)不斷地按順序依次使能每個(gè)傳感器發(fā)送模塊，使得同一個(gè)時(shí)刻只使能對(duì)應(yīng)的傳感器接收模塊接收回波信號(hào)。

由FPGA 產(chǎn)生40KHz 脈沖，輸出放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送器工作。超聲波接收電路接收到回波信號(hào)后，經(jīng)過兩級(jí)NE5532 對(duì)信號(hào)放大和LM311 比較電路的處理得到FPGA 可識(shí)別的幅值為3.3V的脈沖信號(hào)，并通過I/O 接口送回FPGA 內(nèi)進(jìn)行處理。超聲波接收電路如圖2 所示。

圖2 超聲波接收模塊

3.3 VGA 顯示模塊

為增大掃描范圍，5 對(duì)超聲波傳感器成同圓心的圓弧排列，角度間隔45°，建立坐標(biāo)系如圖3 所示。根據(jù)每個(gè)超聲波擺放位置與圓心之間的角度，可將每個(gè)傳感器測(cè)得的距離換算成屏幕坐標(biāo)。

測(cè)得障礙物坐標(biāo)后，通過VGA 模塊連續(xù)不斷地行掃描，場(chǎng)掃描，將坐標(biāo)點(diǎn)在屏幕中標(biāo)注出來以表示障礙物當(dāng)前的位置，當(dāng)障礙物在移動(dòng)時(shí)，行掃描，場(chǎng)掃描可以及時(shí)地更新障礙物的位置。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件用硬件語言VHDL，Verilog 編寫，整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序由超聲波發(fā)射子程序、回波處理子程序、VGA 顯示子程序等模塊組成。程序采用對(duì)5個(gè)超聲波發(fā)射接收回路的循環(huán)檢測(cè)方式，計(jì)算各通道所測(cè)結(jié)果并保存于存儲(chǔ)器，并將所測(cè)結(jié)果的數(shù)值及所計(jì)算的位置顯示在VGA 屏中。主程序流程圖設(shè)計(jì)如圖4 所示。

設(shè)計(jì)中連續(xù)不斷地按順序依次使能每個(gè)傳感器發(fā)送模塊，為防止5個(gè)超聲波傳感器之間的信號(hào)相互干擾而造成誤測(cè)現(xiàn)象，采用在每個(gè)超聲波發(fā)送器工作時(shí)只發(fā)送10個(gè)周期數(shù)目的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且用定時(shí)器對(duì)每個(gè)超聲波的工作時(shí)間做了限定，使設(shè)定范圍內(nèi)的回波信號(hào)都能返回收到且使環(huán)境中反射多次的超聲波信號(hào)在該時(shí)間內(nèi)衰減掉，保證當(dāng)下一個(gè)超聲波發(fā)送器使能時(shí)不受其他超聲波干擾信號(hào)的影響。超聲波發(fā)送子程序流程圖如圖5 所示。

圖5 超聲波發(fā)送子程序流程圖

由于采用的是超聲波發(fā)送和接收分開處理的形式，所以采用FPGA 給發(fā)送提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，也在不斷的檢測(cè)接收端是否接收到信號(hào)。當(dāng)接收到待測(cè)信號(hào)后，軟件中通過檢測(cè)待測(cè)信號(hào)兩個(gè)下降沿的間隔來判斷其周期，通過記錄待測(cè)信號(hào)一個(gè)周期所包含的系統(tǒng)晶振50MHz的數(shù)目來判斷是否為40KHz，當(dāng)連續(xù)接收到5個(gè)周期的40KHz的脈沖時(shí)，則認(rèn)為接收到正確的回波信號(hào)。設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 回波處理子程序流程圖

5 結(jié)束語

系統(tǒng)利用FPGA為控制器的多聲路超聲波障礙物定位系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)視范圍內(nèi)障礙物空間分布情況及物體的移動(dòng)情況。在實(shí)際應(yīng)用中本設(shè)計(jì)工作穩(wěn)定可靠，反應(yīng)敏捷，能滿足2m 范圍內(nèi)較高精度的測(cè)距要求，且成本較低，有良好的性價(jià)比，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)后也可用于機(jī)器人的輔助視覺系統(tǒng)和其它短距離測(cè)距要求及相關(guān)系統(tǒng)中。

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