周明江,劉永梅

(1.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，安徽 淮北　235000;2.國網(wǎng)濉溪縣供電公司，安徽 淮北　235000)

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超聲波測(cè)距避障技術(shù)在智能小車上的應(yīng)用研究

周明江1,劉永梅2

(1.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，安徽 淮北235000;2.國網(wǎng)濉溪縣供電公司，安徽 淮北235000)

摘要：近年來，智能小車在危險(xiǎn)惡劣環(huán)境下替代有人系統(tǒng)，從事探測(cè)救災(zāi)等工作取得令人滿意的效果，基于超聲波技術(shù)的智能小車測(cè)距避障技術(shù)是通過超聲波測(cè)距避障理論基礎(chǔ)及計(jì)算公式，設(shè)計(jì)出超聲波發(fā)送及接收的硬件電路及測(cè)距避障的軟件框圖，經(jīng)試驗(yàn)超聲波測(cè)距避障技術(shù)在智能小車上應(yīng)用非常成功。

關(guān)鍵詞：超聲波；智能小車；測(cè)距避障

0引言

運(yùn)行在指定軌道上的智能小車有可能會(huì)遇到各種設(shè)定的障礙物，在智能小車的控制中需要設(shè)置相應(yīng)的避障系統(tǒng)，以便使智能小車在遇到種種未知障礙時(shí)能夠繞開并繼續(xù)前進(jìn)，達(dá)到小車智能避障的目的。

1超聲波測(cè)距避障原理

超聲波是頻率比聲波高的一種機(jī)械振蕩波，其頻率在20KHZ以上。超聲波和其他機(jī)械波一樣，根據(jù)其振動(dòng)方向和波的傳遞方向的關(guān)系可分為橫波和縱波兩種。超聲波的傳播介質(zhì)可以是固體、液體甚至氣體，但是它在不同的介質(zhì)中的傳播速度不同，同時(shí)受環(huán)境溫度影響也較大，比如常溫下超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度每升高1℃增加0.18%；在水中常溫下溫度每升高1℃，速度增加0.3%。超聲波在常見介質(zhì)中的傳播速度表1所示。

表1

超聲波在常見介質(zhì)中的傳播速度

利用壓電晶體既可以做超聲波發(fā)生器，發(fā)出超聲波，還可以做超聲波接收器，檢測(cè)反射回來的超聲波，通過一定的電路給換能器加一個(gè)時(shí)間極短的電壓脈沖，換能器便將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)槌纛l的機(jī)械振動(dòng)以超聲波的形式在空氣中傳播，若超聲波探測(cè)儀的前方有障礙物時(shí)，超聲波會(huì)被障礙物反射回來。由于換能器是可逆的，將接收到反射回來的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。用計(jì)時(shí)電路測(cè)定超聲波在液體中的來回時(shí)間，便可以計(jì)算出障礙物距離換能器的距離。下面介紹計(jì)算距離的方法：

超聲波在空氣中傳播時(shí)，傳播速度會(huì)受到環(huán)境溫度影響。由前文可知環(huán)境溫度每升高1℃，傳播速度增加0.18%，以環(huán)境溫度為15℃時(shí)的聲速為340m/s為基準(zhǔn)。當(dāng)環(huán)境溫度為T℃時(shí)聲速v聲可由下式(1-1)求得；

v聲=(T-15)×340×0.0018+340

(1-1)

則當(dāng)換能器接收到機(jī)械波時(shí)，小車與障礙物之間的距離由下式(1-2)求得，

(1-2)

2智能小車超聲波測(cè)距的硬件電路設(shè)計(jì)

常用的測(cè)距方法有紅外測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。本設(shè)計(jì)中采用類似于雷達(dá)的工作原理的超聲波測(cè)量距離。超聲波傳感器組成包括超聲波發(fā)射部分和超聲波接收部分，下面分別就這兩部分的硬件電路設(shè)計(jì)分別予以介紹。

2.1超聲波發(fā)射部分的硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射部分的換能器選用TCT40-16T，設(shè)計(jì)換能器發(fā)出的信號(hào)為40kHZ的方波，多諧振蕩器產(chǎn)生這樣的信號(hào)讓具備負(fù)壓電效應(yīng)(又叫電致伸縮效應(yīng))的換能器產(chǎn)生超聲波。由555定時(shí)器組成的超聲波發(fā)生電路如圖1所示。

圖1　發(fā)射器電路圖

由圖可知，555定時(shí)器產(chǎn)生的振蕩頻率由R14決定，調(diào)節(jié)可變電阻R14，使振蕩頻率為40kHZ。用一個(gè)或非門將單片機(jī)的P1.3引腳和555輸入端相連，使得能夠通過單片機(jī)P1.3引腳控制超聲波的發(fā)射。另外兩個(gè)超聲波發(fā)射器的發(fā)射分別由P1.4引腳和P1.5引腳控制。

2.2超聲波接收部分的硬件電路設(shè)計(jì)

上文中的超聲波換能器TCT40-16T發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物便會(huì)返回。遇到反射波的換能器TCT40-16R將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于該電壓的為mV量級(jí)，極其微弱，還需功率放大電路進(jìn)行放大，同時(shí)也需比較器及控制電路等環(huán)節(jié)。具體硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2　接收器電路圖

使用LM318組成兩級(jí)放大電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，第一級(jí)放大倍數(shù)為20，第二級(jí)放大倍數(shù)可以為1～20，通過滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器R22的滑鍵改變放大倍數(shù)，兩級(jí)放大倍數(shù)最低為20，最高位400，能使接收器接收到的微弱信號(hào)得到足夠放大。

濾波、檢波及選頻等功能由LM567來完成。在LM567電路中電容C13調(diào)節(jié)平衡抗干擾性能與反應(yīng)速度；電容C12影響鎖相環(huán)接收器的接收帶寬；電容C11限制輸入信號(hào)的幅值；可變電阻R24和C14將鎖相環(huán)中心頻率鎖在40Hz。因此當(dāng)超聲波接收部分的輸入大于設(shè)定值時(shí)，輸出引腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)，該信號(hào)通過P1.6引腳(另外兩個(gè)超聲波接收器分別連接P1.7引腳和P2.5引腳)傳送至單片機(jī)。通過單片機(jī)分析、處理并完成相應(yīng)動(dòng)作。

3測(cè)距避障模塊程序設(shè)計(jì)

智能小車的測(cè)距避障模塊程序流程圖如圖3所示。

圖3　智能小車的測(cè)距避障模塊程序流程圖

4結(jié)束語

采用超聲波測(cè)距避障響應(yīng)速度快，軟硬件實(shí)現(xiàn)較為容易，應(yīng)用于智能小車能取得良好的效果。

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[2]蘇敏,梁銀麗,汪道輝.基于路徑記憶算法的智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(1):64-68.

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責(zé)任編輯：力草

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8275(2016)02-0133-02

作者簡(jiǎn)介：周明江(1980-)，男，安徽宿松人，電氣工程師，研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)專業(yè)教學(xué)與研究；劉永梅(1976-)，女，安徽淮北人，工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳夹g(shù)。

基金項(xiàng)目：本文系安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目“現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)(實(shí)驗(yàn))中心”(編號(hào)：2013sxzx033)、汽車電子技術(shù)特色專業(yè)(編號(hào)：2013tszy060)、淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目“卓越汽車電子工程師人才教育培養(yǎng)計(jì)劃”(編號(hào)：2014zjjh-01)階段性研究成果。

收稿日期：2015-01-20