陳步童，李勝永，朱志忠，侍俊光，呂承琪

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學院 交通工程系，江蘇 南通 226010）

壓路機是修建交通基礎(chǔ)設(shè)施的壓實機械，在周期性連續(xù)作業(yè)過程中，傷人和碰撞事故頻發(fā)。因此，加強其主動安全性的智能化研究，優(yōu)化智能測距系統(tǒng)設(shè)計顯得尤為重要。超聲波測距具有方向性好、抗光磁干擾能力強、不受空間能見度的影響等特點，可用于壓路機智能測距系統(tǒng)。為了將壓路機碾壓作業(yè)時位于車體前后方所有目標障礙物探測到，可在壓路機車體的前后方不同位置并列安裝多個超聲波傳感器，通過在RS485總線上掛載多個超聲波測距從站，每個從站作為1個通信節(jié)點，每個從站中含有多個超聲波傳感器。從站采集的多路信息匯總后經(jīng)RS485總線傳輸?shù)街虚g控制板進行實時處理后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給壓路機的中央控制系統(tǒng)，中間控制板作為中央控制系統(tǒng)和下層從站的中間節(jié)點，對信息進行預處理，可有效節(jié)省中央控制系統(tǒng)的中央處理器資源，簡化中央控制系統(tǒng)的硬軟件。

1 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計

1.1 測距原理

超聲波測距的最常見方法是渡越時間法，由超聲波發(fā)射傳感器在控制模塊的作用下向外發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后反射產(chǎn)生回波，超聲波接收傳感器接收反射回波，并將回波信號送回控制模塊，控制模塊通過檢測超聲波發(fā)射與接收之間的時間差Δt（渡越時間）和超聲波在空氣中的傳播速度，計算出目標障礙物的最近距離s和方位（s=c*Δt/2，c為超聲波聲速，受溫度影響較大，需進行溫度補償，溫度和聲速的關(guān)系為c=331.45+0.607t，一般取344m/s），并由顯示電路顯示障礙物最近距離和方位。［1］

1.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由中間控制板、超聲波測距從站、其他RS485總線節(jié)點等組成，如圖1所示，圖中超聲波測距從站包含多路傳感器，其他RS485總線節(jié)點包含溫度補償模塊、液晶顯示模塊、電源電路模塊等。［2］中間控制板通過RS485總線與超聲波測距從站連接，超聲波測距從站通過安裝于壓路機車體前后橫梁側(cè)面的多路超聲波傳感器實時測量壓路機前后方目標障礙物的最近距離和方位信息，中間控制板按照設(shè)定的時間間隔獲取各從站信息，經(jīng)匯集處理后向中央控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)采用STC15W1K16S單片機作為中間控制板、超聲波從站及溫度補償模塊、液晶顯示模塊、電源電路模塊等部分的控制和處理核心，有效保證了數(shù)據(jù)獲取的實時性。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 測距精度影響因素及模型建立

2.1 測距精度影響因素

2.1.1 渡越時間

渡越時間Δt是影響目標障礙物最近距離s和方位的重要因素，除采用速度較快控制器、運行電路、增大接收回路放大倍數(shù)等硬件外，還應(yīng)考慮軟件執(zhí)行時間消耗誤差、激勵信號序列收發(fā)啟停計時間隔差、測距盲區(qū)計時間隔差等因素的影響。本系統(tǒng)軟件以匯編語言作為開發(fā)語言，每1條程序指令有精確的執(zhí)行時間，通過引入補償時間實現(xiàn)必備指令占用冗余時間的精確補償，以消除軟件執(zhí)行產(chǎn)生的時間誤差；采用序列信號激勵發(fā)射探頭，從序列中最后1個波發(fā)出時開始計時（t1），序列中第1個反射回波被接收停止計時（t2）；由于超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波一段時間后超聲波接收探頭才能接收超聲波，使超聲波傳感器產(chǎn)生測距盲區(qū)時間間隔t3；最終測得的較為精確的渡越時間為Δt=t2-t1+t3+nT1-td，其中T1為信號序列波周期，n為信號序列波周期數(shù)，td為程序指令執(zhí)行的冗余時間。［3］［4］

2.1.2 傳播速度

超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等因素影響，其中環(huán)境溫度的變化對其影響最大。為此，需要對空氣平均摩爾質(zhì)量和比熱比值進行修正其中Pw為水蒸氣壓力；P為大氣壓力，P=1.013×105Pa；T0為0℃熱力學溫度；Ti為環(huán)境溫度，c0為0℃時超聲波在空氣中的傳播速度，c0=331.45m/s。）；通過在超聲波測距系統(tǒng)中加入溫度補償模塊，減小系統(tǒng)超聲波波速值變化，使系統(tǒng)在各種環(huán)境溫度下實時精確測得超聲波在空氣中傳播速度，提高超聲波波速測量精度。

2.1.3 接收脈沖

超聲波傳感器采用電壓閾值法檢測回波，其原理是設(shè)置1個閾值電壓，與接收的超聲波回波信號電壓值進行比較，如果超聲波回波信號中電壓達到閾值設(shè)定的電壓，則認為回波返回了。實際上超聲波在傳播過程中幅值是不斷衰減的，如果設(shè)置固定閾值電壓，當測距距離較近時，也許第1個回波脈沖到達時就可以被捕獲，誤差較??；當測距距離較遠時，可能在第4個或更靠后的回波脈沖才被捕獲，這樣就造成回波聲波傳輸了一定的時間后才會被捕獲到，產(chǎn)生較大誤差。［5］［6］

2.1.4 探頭安裝位置及角度

為防止超聲波傳感器的發(fā)射、接收探頭產(chǎn)生比鄰信號串擾現(xiàn)象，超聲波的發(fā)射、接收探頭安裝時存在一定的間隔距離，探頭與系統(tǒng)目標障礙物的準確垂直距離L、超聲波的往返傳播距離半程D、超聲波的發(fā)射、接收探頭安裝中心距d之間存在的幾何關(guān)系為。［3］由于超聲波入射到物體處存在一定的入射角，并經(jīng)過多次反射才返回被接收探頭接收，使測量的距離比探頭與物體的實際距離稍大，造成測量誤差。

2.2 測距計算模型

依據(jù)上述分析，以相關(guān)測距精度影響因素為輸入變量，建立的基于壓電式收發(fā)分離型多路超聲傳感器的壓路機防撞智能測距系統(tǒng)計算模型為：

模型中相關(guān)測距精度影響因素輸入變量包括最終渡越時間Δti、超聲波在空氣中的精確實時傳播速度c、超聲波探頭安裝位置參數(shù)d、重復測量次數(shù)N等。由于測量誤差具有一定的隨機性，因此，實際測量時應(yīng)通過多次測量后取其平均值，以減少測量誤差。

3 硬件設(shè)計與軟件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 中間控制板設(shè)計

中間控制板位于中央控制系統(tǒng)與從站之間，接收中央控制系統(tǒng)的命令并向中央控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)；通過RS485總線向掛接在總線上的各超聲波測距從站及其他總線節(jié)點發(fā)送命令，并接收RS485總線上掛接的各超聲波測距從站及其他總線節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，硬件中包含RS485模塊和與中央控制系統(tǒng)進行通信的模塊。本系統(tǒng)以工控機為核心，中間控制板通過串口進行協(xié)議通信，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。中間控制板為多節(jié)點信息匯總的主節(jié)點，通過掛載從節(jié)點個數(shù)的不同，實現(xiàn)超聲波測距回路的增減。

圖2 中間控制板硬件結(jié)構(gòu)

3.1.2 從站設(shè)計

前后2個測距從站分別包含4組超聲波測距回路，每組超聲波測距回路包含超聲波探頭、超聲波收發(fā)電路、雙四通道模擬多路復用/分解器4052、超聲波回波放大濾波電路、溫度補償電路、液晶顯示電路、電源電路、STC15W1K16S單片機及MAX485等組成，其中溫度補償電路的環(huán)境溫度采用DS18B20檢測，液晶顯示電路選用LCD12864液晶顯示器進行相應(yīng)內(nèi)容顯示。每組測距回路分別擁有回波的一級濾波放大電路和STC15W1K16S單片機產(chǎn)生觸發(fā)信號I/O口，共享STC15W1K16S單片機控制內(nèi)核和MAX485通信模塊。超聲波測距從站硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。該從站以STC15W1K16S單片機為控制核心，協(xié)調(diào)各電路的工作，4組超聲波測距回路并行執(zhí)行，STC15W1K16S單片機同時在4組回路的I/O口發(fā)送觸發(fā)信號，通過MAX232和外圍輔助電路組成的振蕩回路向外發(fā)出4個頻率為40 kHz的脈沖，并同時選中4052通道，進入發(fā)射電路激勵傳感器向外發(fā)出超聲波，超聲波在空氣中傳播遇到目標障礙物后產(chǎn)生反射回波，反射回波進入接收電路經(jīng)信號處理后進入4052，經(jīng)放大濾波電路后進入STC15W1K16S單片機的ADC通道，經(jīng)軟件計算獲得與目標障礙物的最近距離和方位，并保存測得最近距離和方位的傳感器所在通路，經(jīng)MAX485以RS485通信協(xié)議向中間控制板發(fā)送目標障礙物的最近距離與方位信息。

圖3 超聲波測距從站硬件結(jié)構(gòu)

（1）超聲波收發(fā)電路

STC15W1K16S單片機發(fā)出的觸發(fā)信號進入4052通道，通過MAX232和外圍輔助電路組成的振蕩回路向外發(fā)出4個40kHz的超聲波，超聲波在空氣中傳播，遇到目標障礙物后產(chǎn)生反射回波并返回，超聲波傳感器接收反射回波經(jīng)TL074進行信號放大處理后進入4052相應(yīng)的通道。設(shè)計的超聲波收發(fā)電路如圖4所示。

（2）超聲波放大濾波電路

由于經(jīng)過超聲波接收電路處理后的回波信號較弱且存在干擾，所以回波信號須經(jīng)高通濾波電路和帶通濾波電路進行兩級處理，消除大部分干擾，并將信號放大，最終經(jīng)分壓電路進入STC15W1K16S單片機的ADC模塊。當ADC模塊檢測到的電壓值大于設(shè)定的閾值時，則判斷為回波并計時得到時間，測得目標障礙物的最近距離和方位。具體設(shè)計電路如圖5所示。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 中間控制板軟件設(shè)計

中間控制板接收中央控制系統(tǒng)命令，并向其發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)；利用RS485總線向各超聲波測距從站及其他總線節(jié)點發(fā)送命令，接收各超聲波測距從站實時測得的目標障礙物最近距離與方位信息及其他總線節(jié)點的相關(guān)信息。系統(tǒng)開始工作后，首先初始化設(shè)置，經(jīng)MAX485向第1從站發(fā)送訪問命令，若中間控制板收到從站數(shù)據(jù)，則處理并保存接收數(shù)據(jù)；若第1從站未響應(yīng)，則再次發(fā)送命令，直至中間控制板收到從站數(shù)據(jù)，處理并保存所接收數(shù)據(jù)為止；當所有從站訪問結(jié)束后，等待中央控制系統(tǒng)的命令，當中間控制板收到中央控制系統(tǒng)命令后則向其發(fā)送最終處理的數(shù)據(jù)，中間控制板流程圖如圖6所示。中間控制板的接收數(shù)據(jù)命令是通過串口中斷子程序完成的。

圖4 超聲波發(fā)射電路和接收電路

圖5 超聲波放大濾波電路

圖6 中間控制板流程

圖7 從站軟件運行流程

3.2.2 從站軟件設(shè)計

前后超聲波測距從站是實現(xiàn)前后4路超聲波傳感器測距，接收中間控制板的命令，并向中間控制板發(fā)送超聲波傳感器測得的目標障礙物的最近距離和方位信息。前后超聲波測距從站都有確定的地址，當中間控制板向前后超聲波測距從站發(fā)出命令時，地址匹配的從站向中間控制板發(fā)送數(shù)據(jù)。每個從站軟件包括主程序、子程序、定時中斷程序等，其中主程序是對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，并打開定時中斷，定時中斷在延時1.2ms后調(diào)用回波處理子程序，判斷回波并計算探頭至目標障礙物的最近距離和方位；當接收到中間控制板的命令且地址匹配時，則通過RS485總線向中間控制板發(fā)送實時精確數(shù)據(jù)，否則，本次循環(huán)結(jié)束；子程序是實現(xiàn)計算距離、顯示、計時、延時、數(shù)據(jù)傳輸、溫度監(jiān)控等功能；定時中斷程序是完成前、后從站的4路中某一超聲波測距回路的選擇和激勵，實現(xiàn)回波處理、定時發(fā)射超聲波、計時器溢出、異常等功能；超聲波從站軟件運行流程如圖7所示。

4 通信協(xié)議及差錯控制

系統(tǒng)以中間控制板為主站，前、后超聲波測距回路以及其他RS485總線節(jié)點為從站，主從站之間的通信采用RS485協(xié)議。每次通信由主站向從站發(fā)送地址和指令，從站以中斷方式接收數(shù)據(jù)，當某個從站的地址與主站匹配時，從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。前、后超聲波測距從站發(fā)送的數(shù)據(jù)分別包括前后4組探頭測得的目標障礙物的最近距離值（mm）和方位，且每個探頭測得的目標障礙物最近距離均用兩字節(jié)表示，需進行差錯控制，以保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。為此，主站在向前、后超聲波測距從站發(fā)送問詢命令時加入起始、結(jié)束標記，且標記不與從站應(yīng)答中的數(shù)據(jù)相同，避免其他從站將數(shù)據(jù)中的某一部分誤判為主站的問詢命令；在從站發(fā)送的目標障礙物最近距離值和方位數(shù)據(jù)中加入校驗碼，避免主站接收距離值和方位數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤；主站向某一從站問詢，且未在規(guī)定時間內(nèi)收到從站應(yīng)答，則認為問詢失敗，并重新問詢，若3次問詢失敗，則記錄失敗次數(shù)，并問詢下一從站。為防止主站第二次問詢時收到從站第一次問詢應(yīng)答，在主站發(fā)送問詢命令、從站發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)時加入問詢次數(shù)，僅當主從站問詢次數(shù)匹配時，本次通信才成功。［7］［8］

5 試驗驗證

5.1 超聲波探頭布局

超聲波探頭波速角通常在30°左右，多組同時工作時數(shù)據(jù)會產(chǎn)生干擾，為此在每個超聲波探頭上增加一個號角以增強指向性，其測距范圍類似圖8（a），在其近端和遠端會產(chǎn)生測量盲區(qū)，使所測距離不可靠，為此，將超聲波探頭以間隔布局的方式安裝在壓路機前后橫梁的側(cè)面，使相鄰兩組探頭的測距范圍重合一部分，且遠端極限距離隨探頭布局間隔的變化而變化。設(shè)計得到的相鄰兩組超聲波探頭最優(yōu)間隔距離為40cm，近端極限距離為30cm，遠端極限距離為120cm，效果如圖8（b）所示。

圖8 超聲波探頭布局

5.2 試驗及效果

為了驗證設(shè)計的壓路機主動防撞智能測距系統(tǒng)的效果，使壓路機車體前后的所有目標障礙物都能夠被探測到，并做到無盲區(qū)，以戴納派克CC522型鋼輪壓路機為載體，在其車架的前后橫梁側(cè)面分別安裝了4組超聲波探頭，前、后超聲波測距從站分別包含4組回路，通過前后2個RS485總線從站節(jié)點實現(xiàn)這一功能。設(shè)壓路機的碾壓作業(yè)時的速度為v，在探頭的測量周期T2內(nèi)，壓路機不進入近端盲區(qū)極限距離d1區(qū)域，系統(tǒng)的實際近端盲區(qū)極限值為D1=d1+vT2。壓路機碾壓作業(yè)最高速度為0.9m/s，T2為200ms，則實際盲區(qū)為48cm，保證在大于近端極限距離小于遠端極限距離區(qū)域的目標障礙物被探測到。

為了驗證設(shè)計的壓路機主動防撞智能測試系統(tǒng)的可靠性及測量誤差，選取超聲波探頭到實驗壁之間的水平距離為設(shè)定距離，由鋼卷尺測量測得；液晶顯示屏上顯示的距離為測量距離，系統(tǒng)水平測距驗證數(shù)據(jù)如表1所示，最大相對誤差為1.3333%，能夠滿足水平方向目標障礙物的檢測；當水平探頭安裝在離地大約60cm左右的高度時，可探測到40cm～80cm高度的目標障礙物。測試現(xiàn)場選取40cm左右高的石墩，超聲波傳感器安裝在離地60cm處，約在1.5m處可以檢測到； 對一定高度的人約在1.5m處可以穩(wěn)定檢測到；對細鐵桿、鐵柵欄約在1.2m處可以被檢測出來。同時，將建立的模型輸入測試系統(tǒng)中，并確定試驗數(shù)據(jù)分辨率在cm級，選取量程為30～400cm，以驗證計算模型的合理性。測試的結(jié)果如表2所示。試驗結(jié)果表明：在確定的量程內(nèi)，滿量程測距相對誤差僅為0.5%，確保了系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的精確性。

表1 系統(tǒng)水平測距數(shù)據(jù)

表2 模型測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文提出基于RS485總線及多路超聲傳感技術(shù)組建的壓路機主動防撞智能測距系統(tǒng)，利用RS485總線與中間控制板組網(wǎng)，采用高速單片機STC15W1K16S微處理器，使用RS485多從站布局，在分析了測距精度影響因素的基礎(chǔ)上，建立了測距系統(tǒng)的計算模型，進行了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計，主從站間采用了485通信協(xié)議并進行差錯控制；通過將收發(fā)分離式超聲波探頭以間隔布局的方式安裝在壓路機前后橫梁的側(cè)面，使相鄰兩組探頭的測距范圍重合一部分，現(xiàn)場測試系統(tǒng)水平測距最大相對誤差僅為1.3333%，模型滿量程測距相對誤差僅為0.5%，確保了系統(tǒng)的可靠性和測試數(shù)據(jù)的精確性，使壓路機在碾壓作業(yè)時具備了自我保護和人身安全保護功能，可有效防止壓路機碰撞和傷人事故的發(fā)生。該設(shè)計已在有關(guān)施工企業(yè)的壓路機上試用，整體效果較好。