在自主行走機器人系統(tǒng)中，機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走，必須實時采集環(huán)境信息，以實現(xiàn)避障和導航，這必須依靠能實現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機器人中得到廣泛應用。由于超聲波測距方法設備簡單、價格便宜、體積小、設計簡單、易于做到實時控制，并且在測量距離、測量精度等方面能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應用。本文所介紹的機器人采用三方超聲波測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機器人識別其運動的前方、左方和右方環(huán)境而提供關于運動距離的信息。
超聲波測距原理
超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個壓電片和一個共振板組成。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當共振板接收到超聲波時，就成為超聲波接收器。超聲波測距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比，測量電壓即可測量距離;②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，根據(jù)被測距離s=vt?2來得到測量距離，由于超聲波速度v與溫度有關，所以如果溫度變化比較大，應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>
本測量系統(tǒng)采用第二種方法，由于測量精度要求不是特別高，所以可以認為溫度基本不變。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機為核心，通過軟件編程實現(xiàn)其對外圍電路的實時控制，并提供給外圍電路所需的信號，包括頻率振動信號、數(shù)據(jù)處理信號等，從而簡化了外圍電路，且移植性好。系統(tǒng)硬件電路方框圖見圖1。
圖1 系統(tǒng)硬件電路方框圖
由于本系統(tǒng)只需要清楚機器人前方、左方、右方是否有障礙物，并不需要知道障礙物與機器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設定一距離閥值，使障礙物與機器人的距離達到某一值時，單片機控制機器人電機停轉(zhuǎn)，這可通過軟件編程實現(xiàn)。
超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當單片機上電時，單片機從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，但是此時該信號無法通過與非門進入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開關S1時，從RA1口發(fā)射出一門控信號，該信號的頻率為4kHz，同時啟動單片機內(nèi)部的定時器TMR1，開始計數(shù)。該門控信號每發(fā)射一個周期的波形，超聲波就會發(fā)射10個完整的波形，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1(40kHz)=01025ms，而門控信號的周期為1(4kHz)=0125ms。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動機器人的距離。當超聲波接收頭收到反射回來的超聲波時，計數(shù)器停止計數(shù)，時間t 可以根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)與門控信號的周期求出。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動控制超聲波的發(fā)射和停止。本系統(tǒng)的電路還包括人工復位電路，由單片機的MCLR引腳接S2來控制，超聲波發(fā)射電路圖見圖2。
圖2 超聲波發(fā)射電路圖
門控電路(RS觸發(fā)器)
為實現(xiàn)對超聲波發(fā)射和接收的自動控制，須在電路中加一門控電路，該門控信號頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門信號，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過閘門，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個數(shù)。門控電路由RS觸發(fā)器組成，當輸入端R=1(S=0)時復位，即輸出端Q=0;當R=0(S=1)時置位，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機的RA2口相連。
超聲波放大電路
超聲波放大電路由三極管等組成，由于單片機RA口最多只有20mA～25mA上拉電流，而超聲波發(fā)射器最小需要60mA的電流，所以在與非門后加一級放大電路來放大電流，以完成超聲波的發(fā)射。超聲波放大發(fā)射電路見圖3。
圖3 超聲波放大發(fā)射電路圖
超聲波接收放大電路
由于超聲波接收頭接收到的超聲波信號很微弱，所以在其后需加一超聲波接收放大電路。該電路采用兩個集成運放，設計為兩級，兩級都為同相輸入，因為同相輸入的電壓放大倍數(shù)為1+RfR，所以每一級的放大倍數(shù)為10，兩級放大倍數(shù)接近100倍，這樣后續(xù)電路就可以很容易地檢測到輸入的信號。集成運放采用雙電源供電，超聲波接收放大電路見圖4。
圖4 超聲波接收放大電路圖
信號濾波電路
從信號放大電路出來的聲波帶有一定的干擾，為了去除干擾信號，需要一濾波電路，信號濾波電路選用帶通濾波器電路，使其中心頻率為40kHz、帶寬為2kHz，外加一過零比較器，使輸出信號轉(zhuǎn)化為方波信號。信號濾波電路見圖5。
圖5 信號濾波電路圖
信號整形電路
從信號濾波電路出來的方波信號很不規(guī)則，故其后加一整形電路，整形電路由兩級非門串聯(lián)，并聯(lián)一電阻組成，整形后再送單片機進行處理，信號整形電路見圖6。
圖6 信號整形電路圖
本文設計的超聲波測距系統(tǒng)采用了單片機編程技術，配合硬件完成了系統(tǒng)的要求，其精度能滿足大部分的工程需要。與傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、移植性好等特點。
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