雙超聲波防撞小車(chē)系統設計

2021-05-23
超聲波傳感器因其測量精度高、 響應快和價(jià)格低廉而得到了廣泛應用，傳統應用方式是1 個(gè)發(fā)射頭對應1 個(gè)接收頭 ，也有多個(gè)發(fā)射頭對應1 個(gè)接收頭。但我們在實(shí)際應用中發(fā)現，如果障礙物的面很大(如墻壁)，超聲波傳感器可以用來(lái)準確測距，但若將其應用在小車(chē)防撞系統中，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(chē)正前方，超聲波仍能檢測到斜前方回波，這就給智能控制車(chē)輛行進(jìn)帶來(lái)困難和誤導，為了解決這一問(wèn)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。


        本文提出了一種基于單片機控制的超聲波定位前方物體的監測控制系統。通過(guò)一左一右的雙超聲波接收頭檢測信號，送單片機進(jìn)行數據計算處理，能夠精確計算與障礙物的距離，同時(shí)判斷該障礙物是否位于車(chē)輛行徑的路線(xiàn)上。從而能保證車(chē)輛行駛中能準確避障。實(shí)驗測試系統表明，該系統有效距離可達8m，測量精度可達0.05m，小車(chē)能自由避開(kāi)前方障礙物，或遇到障礙物時(shí)緊急剎車(chē)停下， 但不會(huì )因為障礙物在小車(chē)斜方向而誤判停止。

　　2 系統的結構流程設計

　　我們的整個(gè)系統需要完成測距，測速，定位，控制小車(chē)運動(dòng)等功能，系統包括如下六部分： 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(chē)控制電路等五部分。系統結構框圖如圖一所示：

　

　　通過(guò)單片機產(chǎn)生40k 的方波，經(jīng)過(guò)放大后驅動(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(guò)對兩個(gè)接收頭捕捉時(shí)間的計算以及加入溫度補償，判斷最終前方小車(chē)的方向與距離，再通過(guò)與前次數據差分計算出其相對前車(chē)的速度，最后通過(guò)速度、距離以及位置三個(gè)數據進(jìn)行智能控制，控制小車(chē)轉彎或減速慢行等。

　　具體的硬件組成為：MCU 采用AT89S52 單片機，P1.0 口輸出超聲波換能器所需的40K 方波信號，經(jīng)過(guò)反相器7404 后驅動(dòng)傳感器，為了能使超聲波發(fā)射得更遠，我們并接了三個(gè)發(fā)射頭，利用外中斷0 口監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(jiǎn)單的4 位共陽(yáng)LED 數碼管，斷碼用74LS244，位碼用8550 驅動(dòng)。測溫部分使用18B20 測出當前的環(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 距離計算與方位判斷

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

　　



　　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 ，如果直接這樣計算就會(huì )過(guò)于復雜，普通單片機處理的話(huà)耗時(shí)較多， 于是我們提出了一種基于計算二者距離差來(lái)大致判斷物體位置的方法。一般來(lái)講小車(chē)只關(guān)心在車(chē)前方的物體，我們設定一個(gè)距離參數l代表前方障礙物與小車(chē)的水平距離，再設定一個(gè)距離參數h，代表前方障礙物與小車(chē)的垂直距離。我們可以由下面的關(guān)系推導出h， l， d與z2-z1的關(guān)系(公式3---公式6)。

　　


 

　　將公式6想減的兩項做除法不難發(fā)現第一項始終大于第二項，所以z2-z1是關(guān)于l的增函數， 同時(shí)隨著(zhù)h的減小，z2-z1同樣會(huì )變大，也就是說(shuō)當障礙物體靠近小車(chē)時(shí)，如果其偏離了小車(chē)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(xiàn)如圖3所示，各個(gè)物理量的幾何關(guān)系見(jiàn)圖4 。


　　

圖4 各個(gè)物理量的幾何關(guān)系
 

　　圖4 各個(gè)物理量的幾何關(guān)系

　　不難發(fā)現，當l距離在[10cm，30cm](h < 30cm)區間時(shí)，z2-z1的差將 > 4cm.據此我們設定了一個(gè)閾值4cm，當檢測到差值大于4cm，不需要做任何剎車(chē)控制，直接直行通過(guò)，通過(guò)這樣簡(jiǎn)單的計算判斷，我們可以有效避免由于偏離小車(chē)中心的障礙物靠小車(chē)過(guò)近造成的z1，z2的值過(guò)小，從而引來(lái)可能的剎車(chē)誤判。在做這個(gè)項目時(shí)，我們采用的車(chē)模體積不大，因此設計的閾值等不是很大，若應用到實(shí)際車(chē)模中時(shí)可根據情況改變閾值的大小。