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(xué)院交通工程學(xué)院，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，加強其主動防撞方面的智能化研究，優(yōu)化智能測距系統(tǒng)設(shè)計顯得尤為重要。通過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，在RS485總線上掛載多個超聲波測距從站，從站將多路超聲波測距回路采集的信息進行匯總，經(jīng)RS485總線傳輸給中間控制板進行實時處理后送給壓路機中央控制系統(tǒng)，有效節(jié)省了中央控制系統(tǒng)的處理器資源，簡化了中央控制系統(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。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，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c，計算出目標(biāo)障礙物的最近距離s和方位（s=cΔt/2，c一般取344 m/s），并由顯示電路顯示障礙物最近距離和方位［1-4］。

1.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由中間控制板、超聲波測距從站和其他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、液晶顯示模塊和電源電路模塊等。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(biāo)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，從而有效保證了數(shù)據(jù)獲取的實時性。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1 System overall design

2 硬件設(shè)計

2.1 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總線向各超聲波測距從站及其他總線節(jié)點發(fā)送命令，并接收各超聲波測距從站及其他總線節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，硬件包含RS485模塊和通信模塊。中間控制板通過串口進行協(xié)議通信，是超聲波測距從站和其他RS485總線節(jié)點信息匯總的主節(jié)點，通過掛載測距從站個數(shù)的變化，實現(xiàn)超聲波測距回路的增減。

2.2 從站設(shè)計

前、后超聲波測距從站分別包含4組超聲波測距回路，每組超聲波測距回路由超聲波探頭、超聲波收發(fā)電路、雙四通道模擬多路復(fù)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單片機和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2所示。前、后超聲波測距從站以STC15W1K16S單片機為控制核心，同時在4組超聲波測距回路的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)射電路激勵傳感器并向外發(fā)出超聲波，超聲波傳播過程中遇到目標(biāo)障礙物后產(chǎn)生反射回波，反射回波經(jīng)接收電路進行信號處理后進入4052，經(jīng)放大濾波電路處理后進入STC15W1K16S單片機的ADC通道，計算獲得目標(biāo)障礙物的最近距離和方位，并保存?zhèn)鞲衅魉谕?，由MAX485向中間控制板發(fā)送目標(biāo)障礙物的最近距離與方位信息［5］。

圖2 超聲波測距從站硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of ultrasonic ranging slave station

2.2.1 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40 kHz的超聲波。超聲波傳播過程中遇到目標(biāo)障礙物后產(chǎn)生反射回波并返回，超聲波接收傳感器將接收到的反射回波送到TL074進行信號放大處理，然后進入4052相應(yīng)通道。超聲波收發(fā)電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路和接收電路Fig.3 Ultrasonic transmitting circuit and receiving circuit

2.2.2 超聲波放大濾波電路

超聲波接收傳感器接收的回波信號經(jīng)接收電路處理后信號較弱且存在干擾，由高通濾波電路、帶通濾波電路對信號進行過濾處理和放大，經(jīng)過濾處理和放大后的信號經(jīng)分壓電路進入STC15W 1K16S單片機的ADC模塊。若ADC模塊檢測到的電壓值大于設(shè)定的電壓閾值，則判斷為回波信號并計時，據(jù)此得到超聲波的傳播時間，測得目標(biāo)障礙物的最近距離和方位。具體設(shè)計電路如圖4所示。

圖4 超聲波放大濾波電路Fig.4 Ultrasonic amplifying and filtering circuit

3 軟件設(shè)計

3.1 中間控制板軟件設(shè)計

中央控制系統(tǒng)向中間控制板發(fā)送命令，中間控制板向中央控制系統(tǒng)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，中間控制板利用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，并接收各超聲波測距從站實時測得的目標(biāo)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)開始工作時，首先對中間控制板進行初始化，然后中間控制板向前、后從站及其他總線節(jié)點從站發(fā)送訪問命令，若中間控制板收到前、后從站及其他總線節(jié)點從站的數(shù)據(jù)信息，則處理并保存接收到的數(shù)據(jù)信息；若前、后從站及其他總線節(jié)點從站未響應(yīng)，則再次發(fā)送命令，直至中間控制板收到前、后從站及其他總線節(jié)點從站數(shù)據(jù)，處理并保存所接收到的數(shù)據(jù)為止；當(dāng)前、后從站及其他總線節(jié)點從站訪問結(jié)束后，等待中央控制系統(tǒng)的命令，當(dāng)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)，中間控制板流程如圖5所示［6］。

圖5 中間控制板流程Fig.5 Intermediate control board process

3.2 從站軟件設(shè)計

前、后超聲波測距從站的功能是利用分別安裝在壓路機前、后車架側(cè)面的8組超聲波傳感器進行測距，接收中間控制板的命令，并向中間控制板發(fā)送8組超聲波傳感器測得的目標(biāo)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(dāng)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)送目標(biāo)障礙物的最近距離和方位信息數(shù)據(jù)。每個從站主程序在系統(tǒng)開始工作時，首先對系統(tǒng)進行初始化，然后調(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1.2 ms后調(diào)用回波處理子程序，判斷回波并計算探頭至目標(biāo)障礙物的最近距離和方位。當(dāng)從站接收到中間控制板的命令且地址匹配時，則向中間控制板發(fā)送實時精確數(shù)據(jù)，否則，本次循環(huán)結(jié)束［6-7］。超聲波從站軟件運行流程如圖6所示。

圖6 從站軟件運行流程Fig.6 Operation process of slave station software

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，主從站之間采用RS485協(xié)議進行通信。主站以發(fā)送地址和指令的方式向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站以中斷方式接收數(shù)據(jù)，當(dāng)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、后從站發(fā)送的數(shù)據(jù)分別為前方、后方的4組探頭測得的目標(biāo)障礙物的最近距離和方位，且每組探頭均用兩個字節(jié)表示測得的目標(biāo)障礙物最近距離，需對前、后從站發(fā)送的數(shù)據(jù)進行差錯控制，以確保數(shù)據(jù)傳送的正確性。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(biāo)記，且標(biāo)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(biāo)障礙物最近距離值和方位數(shù)據(jù)中加入校驗碼，避免主站接收的距離值和方位數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤；主站在向某一從站發(fā)出問詢時，若未在規(guī)定時間內(nèi)收到該從站的應(yīng)答，則認(rèn)為此次問詢失敗，并重新發(fā)出問詢，若3次發(fā)出的問詢均失敗，則記錄問詢失敗次數(shù)，并向下一從站發(fā)出問詢。為防止主站發(fā)出第2次問詢時收到從站第1次問詢的應(yīng)答，在主站發(fā)送問詢命令和從站發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)時分別加入問詢次數(shù)，僅當(dāng)主從站問詢次數(shù)相互匹配時，本次通信才成功［6-7］。

5 試驗驗證及誤差分析

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7（a）所示，在其近端和遠(yuǎn)端會產(chǎn)生測量盲區(qū)，使所測距離不可靠。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交叉重疊，且探頭探測的遠(yuǎn)端極限距離隨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40 cm，近端極限距離為30 cm，遠(yuǎn)端極限距離為120 cm，效果如圖7（b）所示。

圖7 超聲波探頭布局Fig.7 Ultrasonic probe layout

5.2 試驗效果

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，以便探測到壓路機車體前、后的所有目標(biāo)障礙物，并做到無盲區(qū)。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。壓路機碾壓作業(yè)最高速度為0.9 m/s，探頭的測量周期為200 ms，則實際極端盲區(qū)極限為48 cm，保證在大于近端極限距離小于遠(yuǎn)端極限距離區(qū)域的目標(biāo)障礙物被探測到。

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1.666 6%，能夠滿足水平方向目標(biāo)障礙物的檢測；當(dāng)探頭安裝在距離地面約為60 cm時，可探測到40～80 cm高度的目標(biāo)障礙物。測試現(xiàn)場選取40 cm左右高的石墩，超聲波傳感器安裝在離地60 cm處，約在1.5 m處可以檢測到；對一定高度的人約在1.5 m處可以穩(wěn)定檢測到；對細(xì)鐵桿、鐵柵欄約在1.2 m處可以被檢測出來。同時，將試驗數(shù)據(jù)分辨率確定在cm級，選取量程為30～400 cm，以驗證測試數(shù)據(jù)的精確性，系統(tǒng)滿量程測試的結(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%。

表1 系統(tǒng)水平測距數(shù)據(jù)Tab.1 System level ranging data

5.3 誤差分析

渡越時間是影響目標(biāo)障礙物最近距離和方位的重要因素，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和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，系統(tǒng)中加入了溫度補償模塊，減小了系統(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，提高了超聲波波速測量精度。超聲波傳感器采用電壓閾值法檢測回波，由于超聲波在傳播過程中幅值是不斷衰減的，當(dāng)被測距離較小時，第1個回波脈沖到達時就被捕獲，誤差較小。當(dāng)被測距離較大時，可能在第4個或更靠后的回波脈沖才被捕獲，這樣就造成回波傳輸了一定的時間后才會被捕獲到，產(chǎn)生較大誤差。超聲波探頭易產(chǎn)生比鄰信號串?dāng)_現(xiàn)象，超聲波入射到目標(biāo)障礙物處存在一定的入射角，且經(jīng)過多次反射才被探頭接收，使測量所得的距離比實際距離稍大，產(chǎn)生測量誤差。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［7-8］。

表2 滿量程測試數(shù)據(jù)Tab.2 Full scale test data

6 結(jié)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STC15W1 K16S微處理器，使用RS485多從站布局，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1.666 6%，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)時具備了主動防撞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。