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(cè)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(duì)應(yīng)1 個(gè)接收頭 ,也有多個(gè)發(fā)射頭對(duì)應(yīng)1 個(gè)接收頭。但我們?cè)趯?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(lái)準(zhǔn)確測(cè)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(cè)到斜前方回波，這就給智能控制車輛行進(jìn)帶來(lái)困難和誤導(dǎo)，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。

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(cè)距，測(cè)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(hào)處理器，溫度測(cè)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：

圖1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生40k 的方波，經(jīng)過(guò)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(guò)對(duì)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(guò)與前次數(shù)據(jù)差分計(jì)算出其相對(duì)前車的速度，最后通過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，回波檢測(cè)采用紅外檢測(cè)集成芯片CX20106,顯示電路采用簡(jiǎn)單的4 位共陽(yáng)LED 數(shù)碼管，斷碼用74LS244,位碼用8550 驅(qū)動(dòng)。測(cè)溫部分使用18B20 測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)溫， 查找出在該對(duì)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）。

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(guò)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(lái)大致判斷物體位置的方法。一般來(lái)講小車只關(guān)心在車前方的物體，我們?cè)O(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）。

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(shuō)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(jiàn)圖4 .

圖3 z2-z1與l的關(guān)系

圖4 各個(gè)物理量的幾何關(guān)系

不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)l距離在[10cm,30cm]（h30cm）區(qū)間時(shí)，z2-z1的差將>4cm.據(jù)此我們?cè)O(shè)定了一個(gè)閾值4cm,當(dāng)檢測(cè)到差值大于4cm,不需要做任何剎車控制，直接直行通過(guò)，通過(guò)這樣簡(jiǎn)單的計(jì)算判斷，我們可以有效避免由于偏離小車中心的障礙物靠小車過(guò)近造成的z1,z2的值過(guò)小，從而引來(lái)可能的剎車誤判。在做這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我們采用的車模體積不大，因此設(shè)計(jì)的閾值等不是很大，若應(yīng)用到實(shí)際車模中時(shí)可根據(jù)情況改變閾值的大小。

3.2速度的計(jì)算

速度我們采取簡(jiǎn)單的近似平均進(jìn)行估算，我們可以計(jì)算出系統(tǒng)測(cè)距地間隔約為120ms,通過(guò)將當(dāng)前的測(cè)距結(jié)果與上次測(cè)距結(jié)果做差比較，根據(jù)公式7可以估算出當(dāng)前速度的近似值：

3.3系統(tǒng)流程（見(jiàn)圖5） .

圖5系統(tǒng)流程

4部分測(cè)試結(jié)果

表1是我們對(duì)測(cè)距電路單獨(dú)的測(cè)試結(jié)果：（單位cm） .

表1 測(cè)距結(jié)果

　　從此表中可以看出我們的測(cè)距電路是很精確的。

圖6是我們對(duì)雙接收頭方案的測(cè)試結(jié)果：

圖6 雙接收頭方案測(cè)試結(jié)果

這六幅圖中，上三幅均為用右接收頭接收信號(hào)時(shí)間計(jì)算出的距離，而下三幅均為用左接收頭接受信號(hào)時(shí)間計(jì)算出的距離，從中亦可看出當(dāng)障礙物偏離中心時(shí)，左右接收頭測(cè)出的距離明顯不同，由此可用來(lái)定位。

最后當(dāng)我們完成整個(gè)小車系統(tǒng)的調(diào)試后，用它測(cè)試發(fā)現(xiàn)無(wú)論是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的障礙物，在小車前方的任何位置，小車都可正確判后做出前進(jìn)或停止的動(dòng)作。

5 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)提出來(lái)一種基于雙超聲波接收頭，3發(fā)射頭的車載自動(dòng)測(cè)速測(cè)距控制系統(tǒng)，可以有效的起到對(duì)開(kāi)車司機(jī)保護(hù)預(yù)判提醒等作用，當(dāng)司機(jī)開(kāi)車遇到緊急事故采取了錯(cuò)誤的控制措施時(shí)，該系統(tǒng)還可以強(qiáng)行糾正，或進(jìn)行報(bào)警提醒司機(jī)檢查。由于該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適用，工作穩(wěn)定，具有非常大的市場(chǎng)前景 .