移(yi)動(dong)機(ji)器(qi)人(ren)要(yao)獲(huo)得(de)自(zi)主(zhu)行(xing)為(wei)，其(qi)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)任(ren)務(wu)之(zhi)一(yi)是(shi)獲(huo)取(qu)關(guan)於(yu)環(huan)境(jing)的(de)知(zhi)識(shi)。這(zhe)是(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)並(bing)從(cong)那(na)些(xie)測(ce)量(liang)中(zhong)提(ti)取(qu)有(you)意(yi)義(yi)的(de)信(xin)息(xi)而(er)實(shi)現(xian)的(de)。視(shi)覺(jiao)、紅外
、激光、超聲波等傳感器都在移動機器人中得到實際應用。超聲波傳感器以其性價比高、硬件實現簡單等優點，在移動機器人感知係統中得到了廣泛的應用。但是超聲波傳感器也存在一定的局限性，主要是因為波束角大
、方向性差
、測距的不穩定性(在非垂直的反射下)等deng，因yin此ci往wang往wang采cai用yong多duo個ge超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi或huo采cai用yong其qi他ta傳chuan感gan器qi來lai補bu償chang。為wei了le彌mi補bu超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi本ben身shen的de不bu足zu，又you能neng提ti高gao其qi獲huo取qu環huan境jing信xin息xi的de能neng力li

，本ben文wen設she計ji由you一yi體ti式shi超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi與yu步bu進jin電dian機ji組zu成cheng的de探tan測ce係xi統tong。

 

 

超聲波傳感器的基本原理是發送(超聲)壓力波包，並測量該波包發射和回到接收器所占用的時間。

 

 

其中
，L為目標距超聲波傳感器的距離

；c為超聲波波速(為了簡化說明
，本文以下討論的測量距離時不考慮波速受溫度的影響)；t為發射到接收的時間間隔。

 

youyuyongchaoshengboceliangjulibingbushiyigedianceliang。chaoshengbochuanganqijuyouyidingdekuosantexing，fashedechaoshengnengliangzhuyaojizhongzaizhubobanshang，yanzhezhubozhouliangcechengbolangxingshuaijian，zuoyouyue30°的擴散角。事實上，式(1)計算度越時間的方式是基於超聲波成功、chuizhidefanshemingyixiajinxingde。danduiyuyidongjiqirenhennanbaozhengqizishenyundongzitaidewendingxing，caiyongchaoshengbochuanganqigudingzaiyidongjiqirencheshendetancefangshi，dangyidongjiqirenpianlipingxingqiangmianshi，tancexitongwangwanghennandedaoshijidejuli。lingwai
，chaoshengbozhezhongfasantexingzaiyingyongyuceliangzhangaiwudeshihou，zhinengtigongmubiaozhangaiwudejulixinxi，erbunengtigongmubiaodefangxianghebianjiexinxi。zhexiequexiandoudadaxianzhilechaoshengbochuanganqideshijiyingyonghetuiguang。

 

本(ben)文(wen)在(zai)通(tong)過(guo)理(li)論(lun)的(de)分(fen)析(xi)和(he)不(bu)斷(duan)地(di)試(shi)驗(yan)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，采(cai)用(yong)四(si)相(xiang)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)帶(dai)動(dong)單(dan)個(ge)一(yi)體(ti)式(shi)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)方(fang)式(shi)
，組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)動(dong)態(tai)的(de)感(gan)測(ce)係(xi)統(tong)。

 

 

實物照片如圖1所示，超聲波傳感器焊在PCBbanshang，banzitongguogangguanshuqi
，gangguanlingyiduanhebujindianjizhouxianglian，bujindianjigudingzaijiqirendipanxiafang。chuanganqikongzhixinhaoyushuchuxinhaotongguoxinhaoxianhecheshenshangdekongzhibanxianglian。lingwaizaichaoshengbochuanganqidetantouqianjiayipaomocailiaozhichengdeyuantaixingtaotong，shangkouzhijingwei22 mm，下口直徑為16 mm
，高20 mm。這(zhe)樣(yang)發(fa)射(she)波(bo)的(de)波(bo)束(shu)角(jiao)以(yi)及(ji)反(fan)射(she)波(bo)被(bei)接(jie)收(shou)的(de)角(jiao)度(du)都(dou)大(da)大(da)受(shou)限(xian)製(zhi)。為(wei)了(le)機(ji)器(qi)人(ren)自(zi)我(wo)調(tiao)整(zheng)姿(zi)態(tai)，需(xu)要(yao)確(que)定(ding)其(qi)自(zi)身(shen)的(de)轉(zhuan)動(dong)方(fang)向(xiang)和(he)基(ji)準(zhun)位(wei)置(zhi)。因(yin)而(er)自(zi)製(zhi)一(yi)片(pian)由(you)直(zhi)射(she)式(shi)紅(hong)外(wai)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)轉(zhuan)盤(pan)組(zu)成(cheng)的(de)簡(jian)易(yi)光(guang)電(dian)編(bian)碼(ma)器(qi)。2個直射式紅外光電傳感器分布如圖2中2個I，Ⅱ所示以180°間隔水平安置在機器人小車車身兩側邊的中點連接線上。轉盤與轉臂連接在同心圓上
，如圖中外圓所示，1，3刻線間相隔27°；2，1刻線相隔180°，其中1刻線與超聲波傳感器的中心保持在同一水平線上。I單獨導通作為基準坐標，I
，Ⅱ同時導通用來判斷旋轉方向

，Ⅱ單通作為機器人沿牆回歸時的導航基準。

 

 

  

通過步進電機帶動一體式超聲波傳感器轉動，以傳感器中軸垂直於機器人車體的方向作為其自身姿態調整的坐標基準
，步進電機采用4相4拍步距角為1.8°，每轉1步，超聲波傳感器檢測1次，將測量值通過串口送上位機。

 

 

探測係統硬件主要由超聲波發生電路、超聲波接收電路，步進電機調速模塊等組成。如圖3所示
，係統的核心為單片機89S51，主要完成信號的發射和接收、控製步進電機、並傳送數據給機器人上位機進行處理。

 

 

 

超聲波的發射電路采用單片機ATM89S51的P11口輸出發射脈衝
，由74HC04作為驅動來連接超聲波傳感器，74HC04是為了增強其輸出電流的能力，提高超聲波傳感器的發射距離。

 

超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106。CX20106為紅外接收專用集成電路，在此利用CX20106作為超聲波傳感器接收信號的放大檢波裝置
，亦取得良好的效果。CX20106中前置放大器接收到超聲波接收探頭的反射信號後，對信號進行放大，電壓增益約80 dB。然ran後hou將jiang信xin號hao送song到dao限xian幅fu放fang大da器qi
，使shi其qi變bian為wei矩ju形xing脈mai衝chong，再zai由you濾lv波bo器qi進jin行xing頻pin率lv選xuan擇ze，濾lv除chu幹gan擾rao信xin號hao，由you檢jian波bo器qi濾lv掉diao載zai頻pin檢jian出chu指zhi令ling信xin號hao
，再zai經jing過guo整zheng形xing後hou，由you7腳輸出低電平。7腳輸出的脈衝下降沿通過單片機INT0口輸入。如圖4所示。

 

 

一體式超聲波傳感器發射電路與接收電路都用相同的傳感器引腳輸入／輸出，如不將輸入／輸出隔離開，接收電路與發射電路會相巨影響，采用CMOS雙向模擬開關CD4066BE實現發射與接收的隔離。步進電機控製模塊，采用環形脈衝分配器L297+雙H橋功率集成電路L298的控製方式。單片機的P1.6
，P1.7，P2.3分別接L297的CW，clock，enable控製端

，控製電機的正反轉、時鍾信號、啟停。

 

 

探測係統的軟件主要由主程序模塊
、中斷服務程序模塊、傳感器發射接收模塊組成。這裏主要對探測係統主程序模塊加以說明。主程序流程圖如圖5所示。

 

 

超聲波傳感器和步進電機測控模塊分屬不同的單片機控製，因此感測係統與移動機器人的上位機必須依靠單片機間的I／O口線及串行異步通訊實現。標誌位T是用來切換動作，T=0，OFF=0同時滿足時，是超聲波傳感器尋常的探測過程
；T=1，OFF=0時是每一個循環測量前調整方位角用；OFF=1是等待下一次動作。計算回波的時間采用定時器T0
，因此距離值d=0.334×(TH0×256+TL0)／2。每測完1次，給步進電機1個觸發脈衝。然後判斷下一個動作
，是做傳感器探測還是機器人自身方位角調整，這樣又進入一個新的循環。

3 探測係統在移動機器人上的實驗與應用

 

 

本(ben)文(wen)在(zai)尋(xun)找(zhao)離(li)牆(qiang)最(zui)近(jin)點(dian)的(de)設(she)計(ji)思(si)想(xiang)足(zu)基(ji)於(yu)超(chao)聲(sheng)波(bo)測(ce)距(ju)。選(xuan)擇(ze)時(shi)間(jian)度(du)越(yue)式(shi)的(de)測(ce)距(ju)方(fang)法(fa)，通(tong)過(guo)對(dui)接(jie)收(shou)回(hui)波(bo)閾(yu)值(zhi)的(de)設(she)定(ding)和(he)探(tan)頭(tou)前(qian)加(jia)一(yi)具(ju)有(you)吸(xi)音(yin)作(zuo)用(yong)的(de)套(tao)筒(tong)

，來(lai)限(xian)製(zhi)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)接(jie)收(shou)範(fan)圍(wei)。實(shi)驗(yan)所(suo)測(ce)在(zai)距(ju)離(li)75 cm時其發射波束角在±20°左右，能接收反射波的有效角度大約在±40°範圍內。

 

超聲波傳感器的近似圓錐形的波束
，決定了其每一次所測距離是最近點的反射距離。如圖3所suo示shi，當dang波bo束shu角jiao度du即ji使shi偏pian離li到dao虛xu線xian所suo示shi，其qi實shi際ji所suo得de距ju離li仍reng舊jiu是shi沿yan波bo束shu中zhong心xin線xian所suo測ce的de值zhi。按an理li論lun上shang說shuo在zai發fa射she波bo束shu角jiao度du內nei所suo測ce的de距ju離li應ying該gai是shi相xiang同tong的de，但dan由you於yu超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi起qi震zhen時shi間jian、以及接收閾值的設置，包括牆麵的反射情況等都會對距離的測量造成一定的影響。由實驗測得，當在一定的角度(約±20°)內，其測量的距離值變化不明顯，其相鄰值比較接近(不超過2 mm)。當偏角繼續增大時
，相鄰測量值變化也明顯增大。因而一種方法就是利用這2個臨界點，來找尋其波束與牆垂直的角度(即與牆距離最近點)，步進電機帶動超聲波旋轉找尋這2個臨界點。當連續檢測到兩相鄰的值低於2 mm時(shi)，認(ren)為(wei)已(yi)進(jin)入(ru)穩(wen)定(ding)區(qu)，則(ze)前(qian)後(hou)出(chu)現(xian)變(bian)化(hua)的(de)點(dian)設(she)為(wei)臨(lin)界(jie)點(dian)，在(zai)這(zhe)臨(lin)界(jie)點(dian)內(nei)的(de)所(suo)有(you)點(dian)都(dou)記(ji)下(xia)來(lai)，然(ran)後(hou)求(qiu)取(qu)中(zhong)點(dian)，中(zhong)點(dian)位(wei)置(zhi)即(ji)是(shi)牆(qiang)麵(mian)與(yu)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)最(zui)近(jin)點(dian)。如(ru)圖(tu)6所示為其中一組所測數據，在72°～108°內，是距離測量的穩定區域
，而在這之外，所測距離的相鄰偏差超過8 mm
，而且隨著角度的旋向兩邊時將進一步拉大。在50 cm與200 cm內改變一體式超聲波傳感器與牆麵距離進行實驗，其結果與牆麵垂直角度所測誤差限製在2個步距角內。

 

 

 

自(zi)主(zhu)式(shi)移(yi)動(dong)機(ji)器(qi)人(ren)是(shi)在(zai)運(yun)動(dong)過(guo)程(cheng)中(zhong)探(tan)測(ce)當(dang)前(qian)環(huan)境(jing)的(de)信(xin)息(xi)。每(mei)次(ci)探(tan)測(ce)的(de)距(ju)離(li)信(xin)息(xi)都(dou)以(yi)當(dang)前(qian)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)運(yun)動(dong)姿(zi)態(tai)為(wei)前(qian)提(ti)來(lai)測(ce)量(liang)。而(er)在(zai)沿(yan)牆(qiang)直(zhi)線(xian)行(xing)走(zou)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，機(ji)器(qi)人(ren)是(shi)通(tong)過(guo)測(ce)距(ju)和(he)自(zi)身(shen)姿(zi)態(tai)的(de)共(gong)同(tong)感(gan)知(zhi)保(bao)證(zheng)運(yun)行(xing)軌(gui)跡(ji)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。超(chao)聲(sheng)波(bo)測(ce)距(ju)已(yi)被(bei)廣(guang)泛(fan)運(yun)用(yong)，在(zai)試(shi)驗(yan)超(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)測(ce)角(jiao)度(du)與(yu)測(ce)距(ju)的(de)關(guan)係(xi)後(hou)，則(ze)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)計(ji)算(suan)最(zui)近(jin)點(dian)的(de)方(fang)法(fa)用(yong)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)測(ce)量(liang)車(che)身(shen)的(de)方(fang)位(wei)角(jiao)(確定自身姿態)。所測最近點是機器人實際與牆麵的距離，通過簡易編碼器上的直射紅外傳感器1來(lai)確(que)定(ding)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)基(ji)準(zhun)坐(zuo)標(biao)，根(gen)據(ju)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)每(mei)一(yi)步(bu)走(zou)過(guo)時(shi)存(cun)儲(chu)的(de)信(xin)息(xi)來(lai)計(ji)算(suan)最(zui)近(jin)點(dian)。在(zai)基(ji)準(zhun)坐(zuo)標(biao)和(he)最(zui)近(jin)點(dian)間(jian)，用(yong)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)所(suo)走(zou)過(guo)的(de)角(jiao)度(du)確(que)定(ding)機(ji)器(qi)人(ren)與(yu)牆(qiang)麵(mian)的(de)偏(pian)角(jiao)，然(ran)後(hou)偏(pian)角(jiao)傳(chuan)達(da)給(gei)車(che)輪(lun)驅(qu)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)以(yi)調(tiao)整(zheng)方(fang)位(wei)角(jiao)。

 

 

采cai用yong步bu進jin電dian機ji帶dai動dong超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi旋xuan轉zhuan的de方fang式shi在zai功gong能neng上shang近jin似si於yu多duo傳chuan感gan器qi檢jian測ce。移yi動dong機ji器qi人ren通tong常chang采cai用yong周zhou身shen圍wei繞rao固gu定ding多duo個ge超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi來lai獲huo取qu更geng多duo的de信xin息xi，從cong而er增zeng加jia搜sou索suo障zhang礙ai物wu的de範fan圍wei，確que定ding目mu標biao方fang向xiang和he邊bian界jie信xin息xi。與yu之zhi相xiang比bi
，采cai用yong旋xuan轉zhuan的de方fang式shi的de一yi個ge優you點dian，就jiu是shi可ke以yi根gen據ju障zhang礙ai物wu的de緊jin密mi程cheng度du自zi動dong調tiao整zheng檢jian測ce的de密mi度du。采cai用yong增zeng加jia傳chuan感gan器qi的de數shu量liang是shi受shou自zi身shen條tiao件jian限xian製zhi的de，而er旋xuan轉zhuan方fang式shi的de緊jin密mi隻zhi和he步bu進jin電dian機ji的de步bu距ju角jiao相xiang關guan。檢jian測ce密mi度du的de增zeng加jia可ke以yi大da大da提ti高gao對dui角jiao度du的de分fen辨bian力li，從cong而er加jia強qiang對dui目mu標biao方fang向xiang和he邊bian界jie信xin息xi的de確que定ding。

 

 

本(ben)係(xi)統(tong)是(shi)對(dui)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)功(gong)能(neng)上(shang)的(de)一(yi)次(ci)延(yan)伸(shen)，是(shi)對(dui)移(yi)動(dong)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)現(xian)有(you)探(tan)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)補(bu)充(chong)。其(qi)在(zai)實(shi)驗(yan)應(ying)用(yong)中(zhong)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)的(de)展(zhan)示(shi)，他(ta)在(zai)障(zhang)礙(ai)物(wu)探(tan)測(ce)和(he)機(ji)器(qi)人(ren)位(wei)姿(zi)的(de)調(tiao)整(zheng)上(shang)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)實(shi)用(yong)性(xing)。但(dan)該(gai)方(fang)法(fa)在(zai)實(shi)時(shi)性(xing)、精確性上有待進一步提高。