雙超聲波接收頭的防撞小車系統(tǒng)

　　1 引言

　　超聲波傳感器因其測量精度高、 響應(yīng)快和價(jià)格低廉而得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)應(yīng)用方式是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。但我們在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果障礙物的面很大(如墻壁)，超聲波傳感器可以用來準(zhǔn)確測距，但若將其應(yīng)用在小車防撞系統(tǒng)中，由于障礙物呈柱狀，而超聲波發(fā)射頭有一定的散射角(左右)，因此即使障礙物不在小車正前方，超聲波仍能檢測到斜前方回波，這就給智能控制車輛行進(jìn)帶來困難和誤導(dǎo)，為了解決這一問題，我們提出了一種使用雙接收頭的方案，并從實(shí)用角度給出了一套具體控制策略。

　　2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程設(shè)計(jì)

　　我們的整個(gè)系統(tǒng)需要完成測距，測速，定位，控制小車運(yùn)動(dòng)等功能，系統(tǒng)包括如下六部分： 超聲波發(fā)射電路， 超聲波接受電路，信號處理器，溫度測量，小車控制電路等五部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示：

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　　圖1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　通過單片機(jī)產(chǎn)生40k 的方波，經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射頭，從而發(fā)出超聲波，遇到前方物體反射后由接收端捕捉，經(jīng)過對兩個(gè)接收頭捕捉時(shí)間的計(jì)算以及加入溫度補(bǔ)償，判斷最終前方小車的方向與距離，再通過與前次數(shù)據(jù)差分計(jì)算出其相對前車的速度，最后通過速度、距離以及位置三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制，控制小車轉(zhuǎn)彎或減速慢行等。

　　具體的硬件組成為：MCU 采用AT89S52 單片機(jī)，P1.0 口輸出超聲波換能器所需的40K 方波信號，經(jīng)過反相器7404 后驅(qū)動(dòng)傳感器，為了能使超聲波發(fā)射得更遠(yuǎn)，我們并接了三個(gè)發(fā)射頭，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號，回波檢測采用紅外檢測集成芯片CX20106,顯示電路采用簡單的4 位共陽LED 數(shù)碼管，斷碼用74LS244,位碼用8550 驅(qū)動(dòng)。測溫部分使用18B20 測出當(dāng)前的環(huán)境溫度用以判斷出超聲波傳播的速度。

　　3 MCU 算法控制

　　3.1 距離計(jì)算與方位判斷

　　單片機(jī)可以計(jì)算出發(fā)射與接收到超聲波之間的時(shí)間，根據(jù)測溫系統(tǒng)的實(shí)際測溫， 查找出在該對應(yīng)溫度下的聲速，計(jì)算出反射物距離兩接收端的距離。 理論上由以上兩個(gè)數(shù)據(jù)上就可以直接數(shù)學(xué)推導(dǎo)出該物體的空間位置(如圖2 和公式一、二所示)。

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　　圖2 超聲波傳感器空間方位

　　其中d 為R1 與R2 的距離，z1、z2 分別為物體到各個(gè)接收端的距離 ,如果直接這樣計(jì)算就會(huì)過于復(fù)雜，普通單片機(jī)處理的話耗時(shí)較多， 于是我們提出了一種基于計(jì)算二者距離差來大致判斷物體位置的方法。一般來講小車只關(guān)心在車前方的物體，我們設(shè)定一個(gè)距離參數(shù)l代表前方障礙物與小車的水平距離，再設(shè)定一個(gè)距離參數(shù)h,代表前方障礙物與小車的垂直距離。我們可以由下面的關(guān)系推導(dǎo)出h, l, d與z2-z1的關(guān)系(公式3---公式6)。

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　　將公式6想減的兩項(xiàng)做除法不難發(fā)現(xiàn)第一項(xiàng)始終大于第二項(xiàng)，所以z2-z1是關(guān)于l的增函數(shù)， 同時(shí)隨著h的減小，z2-z1同樣會(huì)變大，也就是說當(dāng)障礙物體靠近小車時(shí)，如果其偏離了小車的中心(即不會(huì)撞到)有一個(gè)明顯的特征為其z2-z1的值會(huì)比較大，我們可以取d=5cm h=30cm, 讓l在[10cm,30cm]間變化，做出的曲線如圖3所示，各個(gè)物理量的幾何關(guān)系見圖4 .

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　　圖3 z2-z1與l的關(guān)系

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