基于單接收頭的超聲波多目標(biāo)測距

為了使超聲波傳感器能在動態(tài)環(huán)境下定位，要求單超聲波接收頭能測量多個(gè)目標(biāo)。 首先分析了超聲波發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波特點(diǎn)，據(jù)此推導(dǎo)出接收信號的波形表達(dá)式。 其次根據(jù)接收信號特點(diǎn)，系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)用接收信號包絡(luò)峰值的0. 5 倍作閾值，而測量時(shí)用小閾值，以防止距離信息丟失。 最后用C8051F021 單片機(jī)設(shè)計(jì)了單接收頭多目標(biāo)測距系統(tǒng)。 在2 目標(biāo)與接收頭距離之差大于30 cm 以上時(shí)能較精確地測量出2 個(gè)距離。

超聲波測距傳感器以其測量精度高、響應(yīng)快和價(jià)格低廉而廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場測距、移動機(jī)器人導(dǎo)航和定位等場合。超聲波測距傳感器常用的方式是1 個(gè)發(fā)射頭對應(yīng)1 個(gè)接收頭，也有多個(gè)發(fā)射頭對應(yīng)1 個(gè)接收頭。 它們共同之處是：每個(gè)接收頭只測量一個(gè)位置，這個(gè)位置就是除盲區(qū)內(nèi)因發(fā)射的超聲波旁瓣引起的接收信號超聲波包絡(luò)峰值外，第1個(gè)接收信號超聲波包絡(luò)峰值對應(yīng)的距離。 在機(jī)器人自主導(dǎo)航避障時(shí)，機(jī)器人只關(guān)心最近障礙物的距離，是能夠完成自主避障的。 但是在機(jī)器人定位時(shí)，尤其在動態(tài)環(huán)境下，1 個(gè)接收頭同時(shí)測量多個(gè)距離，能夠更多地描述環(huán)境信息，這對機(jī)器人用超聲波定位具有重要意義。

1  超聲波

1. 1  超聲波測距原理

超聲波測距原理比較簡單，一般是采用時(shí)差法。即：通過檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差Δt ,求出障礙物的距離d ,計(jì)算公式為： d = cΔt/ 2 ,其中：

　　c 為超聲波波速， T1 為環(huán)境攝氏溫度。

1. 2  發(fā)射信號超聲波包絡(luò)

在發(fā)射頭兩端加40 kHZ 的矩形脈沖電壓， 壓電晶體把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，帶動其上振動板運(yùn)動，見圖1. 振動板的固有頻率是40 kHZ,由于共振，振動板很快起振，然后穩(wěn)定， 脈沖電壓撤銷， 振動板作阻尼振蕩衰減。 若振動板長時(shí)間工作在最大振幅狀態(tài)，即振動板新增能量與其損耗能量相等，這樣產(chǎn)生的超聲波能量大，有利于提高信噪比，但是接收信號超聲波包絡(luò)從起振到峰值的時(shí)間將變長（放大器增益小，不出現(xiàn)削頂?shù)那闆r下） ,不利于閾值選擇，誤差變大，也不利于第二個(gè)位置的測量，另外盲區(qū)也會增大。 振動板振動時(shí)，空氣、壓電晶體（起振時(shí)是激勵(lì)）等消耗振動板能量， 其中受空氣阻力消耗的能量轉(zhuǎn)變成發(fā)射超聲波。 壓電晶體激勵(lì)撤銷，則振動板振動作阻尼呈指數(shù)關(guān)系衰減。 把振動板簡化成是一個(gè)彈簧振子，設(shè)振動板在一個(gè)正弦周期（ T = 25μs） 內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，則在發(fā)射頭振動板運(yùn)動周期數(shù)n ≤發(fā)射頭激勵(lì)脈沖數(shù)N 時(shí)，發(fā)射頭振動板運(yùn)動滿足：

x = A （ n） sinωt    （1）

式中t ∈[ （ n - 1） T , nT ] , A （ n）是第n 個(gè)周期內(nèi)的振幅。

ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。

在n > N 時(shí)， 發(fā)射頭振動板運(yùn)動能量滿足：

1. 3  接收信號超聲波包絡(luò)

發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波遇到不同介質(zhì)就會產(chǎn)生回波，接收頭把回波轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生接收信號。 現(xiàn)分析超聲波垂直入射到墻壁面時(shí)的接收信號，接收信號超聲波包絡(luò)由起振階段和衰減階段兩部分組成，如圖1。

接收信號與回波超聲包絡(luò)的各正弦波幅值關(guān)系是：

式中W R 是接收信號包絡(luò)峰值，W Echo 是回波包絡(luò)峰值， H 是回波的單位沖擊響應(yīng)。

        圖1  實(shí)際接收信號（ N = 5）

從圖1 中可看出， 接受信號包絡(luò)從起振到峰值的時(shí)間要小于從峰值衰減至噪聲幅值的時(shí)間。 實(shí)際總長度接近1. 5 ~ 2 ms ,而從起振到包絡(luò)峰值只需250μs 左右，即9 ~ 12 個(gè)T , T = 25μs.

根據(jù)發(fā)射的超聲波能量特點(diǎn)， 得出接收信號每個(gè)周期能量的表達(dá)式， 設(shè)每個(gè)周期內(nèi)的正弦波是標(biāo)準(zhǔn)正弦波且發(fā)射頭振動板尚未達(dá)穩(wěn)定振動狀態(tài)。

N 是發(fā)射頭激勵(lì)脈沖數(shù)。

由（6） 、（7） 式知：在N , a 一定的情況下，每個(gè)反射面產(chǎn)生的回波作用接收頭得到的接收信號經(jīng)歸一化后是相同的。 為了便于取閾值，分析接收信號包絡(luò)的特性與n、N 的關(guān)系是必要的。 首先找出定值a ,方法是取N = 5 , a值在一定范圍內(nèi)變化得到多幅仿真圖，經(jīng)比較a = 5 000/ s 時(shí)得到的圖2 與圖1 接近。 根據(jù)得到的a值可仿真N = 12 時(shí)的接收信號，見圖3.

                圖3  接收信號仿真（ N = 12 , a = 5 000/ s）

2  閾值和分辨率

閾值的選取，決定本測距系統(tǒng)的測量精度。 由于回波的能量大小受入射角、反射面大小、形狀和材質(zhì)、空氣的濕度和溫度等因素決定，為了較精確地測量文獻(xiàn)中機(jī)器人與墻壁之間的距離，下面只針對超聲波垂直入射墻壁，接受信號的大小進(jìn)行分析。

在測量時(shí)，一旦有干擾物擋住超聲波到墻壁的行進(jìn)路徑，則墻壁返回的信號將減弱，過高的閾值可能測不到墻壁回波信號，動態(tài)閾值因無規(guī)律可循而無法使用，故此閾值采用小固定值，因接收信號中的噪聲峰值較穩(wěn)定，固定閾值取3~5 倍噪聲峰值。 由于墻壁回波信號不確定地高低變化，在標(biāo)定測量參數(shù)時(shí)，用示波器采集信號，以接收信號包絡(luò)峰值的0. 5 倍處（即圖2 中n = 4 或5 處的時(shí)間） 作為距離信息。 這樣處理的目的是： 即使接收信號過強(qiáng)或過弱，測距誤差始終在3~5 cm 以內(nèi)。 當(dāng)N 過大時(shí)，盲區(qū)會增大同時(shí)測量精度也會下降，見圖3.

多目標(biāo)測量要能區(qū)分出兩個(gè)不同目標(biāo)。 由于閾值取得小，則系統(tǒng)的分辨能力很差，從圖2 上可看出接收信號經(jīng)1. 5 ms 后正弦幅值是包絡(luò)峰值的0. 015倍。 圖2 的波形只有在超聲波垂直入射墻壁時(shí)才能得到，在大多數(shù)情況下接收信號從起振到包絡(luò)峰值基本固定，但是接收信號從包絡(luò)峰值以后各不一樣，一般從起振經(jīng)1. 5 ms~2 ms 后都會降到閾值以下。

在測量墻壁距離時(shí)，只要干擾物與墻壁保持30 cm以上距離則墻壁距離能較精確獲得。

3  系統(tǒng)硬件

C8051 系列單片機(jī)具有豐富的模擬、數(shù)字外設(shè)和多種總線接口，支持在線編程，是很多測控系統(tǒng)的首選。系統(tǒng)硬件框圖如圖4 ,C8051F021 有5 個(gè)定時(shí)器，5 個(gè)PCA 通道，測4 個(gè)方向的超聲波傳感器發(fā)射頭可共用1 個(gè)40 kHz 方波信號，實(shí)行同步發(fā)射；4 個(gè)接收頭可接入PCA 的4 個(gè)通道。 信號放大電路的放大倍數(shù)在800 左右，即使接收信號經(jīng)過帶通濾波器，噪聲峰值也達(dá)30 mv.

 
             圖5  用示波器標(biāo)定系統(tǒng)（只有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭）

4  系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件基本構(gòu)架如下：

　　void main （）

　　{ cONfig （） ; EA = 1 ; While （1） {} ; }

　　void time0_inter （） interrupt 1 {}

　　void time1_inter （） interrupt 3 {}

　　void time2_inter （） interrupt 5 {}

　　void time3_inter （） interrupt 14 {}

　　void time4_inter （） interrupt 16 {}

　　void PCA_inter （） interrupt 9 {}

初始化程序config （） : I/ O 交叉開關(guān)配置；使用外部時(shí)鐘，指定系統(tǒng)時(shí)鐘；time 0~4 中斷使能，其中time 0 溢出中斷發(fā)生，產(chǎn)生40 kHz 方波信號輸出；PLA 中斷開啟。

中斷函數(shù)time0_inter （ ） :產(chǎn)生5 個(gè)40 kHz 方波信號輸出后關(guān)閉time0 中斷， TF0 = 0 ; PLA 溢出、邊緣捕捉中斷開啟。

中斷函數(shù)PCA_inter （） :若是溢出中斷發(fā)生（30ms） ,則關(guān)閉PCA_inter （ ） 中斷，CF = 0 ,開啟time0中斷；若是CCFn = 1 ,則記下定時(shí)器時(shí)間（與初值相減后代入標(biāo)定式得距離） ,給定time n 計(jì)時(shí)初值并啟動time n 溢出中斷（ 2 ms） , 關(guān)閉CCFn 中斷，CCFn = 0.

中斷函數(shù)time1 _inter （ ） ~ time4 _inter （ ） : 當(dāng)time n 中斷發(fā)生則開啟CCFn 中斷，關(guān)閉time n 中斷， TFn = 0.

5  結(jié)語

本文對單個(gè)接收頭在一次采樣時(shí)間（30 ms） 內(nèi)測量多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了嘗試，仿真并分析了接收信號波形，用0. 5 倍包絡(luò)峰值標(biāo)定而用小閾值測量，在2個(gè)目標(biāo)與接收頭距離之差大于30 cm 以上時(shí)能較精確測量出2 個(gè)目標(biāo)，誤差不超過2 cm.

由于一次能在同一時(shí)刻測多個(gè)距離，增大了超聲波傳感器捕獲的信息量，移動機(jī)器人裝配了該傳感器能在人員不是密集的動態(tài)環(huán)境下根據(jù)4 面墻壁定位。