聲光探測技術(shù)在汽車定位中的應(yīng)用

　 汽車定位系統(tǒng)用于檢測汽車停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)，為機(jī)械手在車箱范圍內(nèi)作業(yè)提供平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是車載貨物自動作業(yè)控制系統(tǒng)的組成部分。目前的汽車定位系統(tǒng)多用齒輪傳動的機(jī)械移位紅外線掃描方式或基于視頻圖像的人工畫界方式，前者定位速度慢，后者定位精度低，可靠性差，都難以滿足實際定位對速度、精度和可靠性的要求。文中采用紅外線電子移位逐行高速掃描技術(shù)和超聲波測距技術(shù)實現(xiàn)汽車定位，具有可調(diào)定位速度和適應(yīng)惡劣天氣的能力，還采用多種措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可維護(hù)性能，實現(xiàn)了快速、高精度、高可靠定位的目標(biāo)。利用Delphi開發(fā)主控軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，完成定位結(jié)果的顯示、輸出，工作參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)檢測，具有良好的開放性，方便與各種控制系統(tǒng)接口。

　　1 工作原理和系統(tǒng)組成

　　1.1 工作原理

　　以透射式紅外光電傳感器和超聲波測距裝置相結(jié)合可實現(xiàn)對平面區(qū)域內(nèi)物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊組成，當(dāng)收發(fā)模塊之間有物體遮擋光路時，將改變接收模塊的接收狀態(tài)，據(jù)此可非接觸探測物體是否存在。

　　如果把多個發(fā)射模塊和多個接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發(fā)兩側(cè)對應(yīng)位置上的紅外模塊一對一對地按順序輪流接通工作，對其間區(qū)域進(jìn)行逐行掃描探測，則依據(jù)掃描結(jié)果不但可判斷該區(qū)域是否有物體存在，還可計算出物體的長度及其在該區(qū)域中的縱向相對位置。

　　超聲波測距通常采用渡越時間法，收發(fā)頭與被測物體之間的距離：

　　式中，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波的往返時間間隔。分別在物體兩側(cè)標(biāo)定位置安裝超聲波測距裝置，測出與物體的距離，就可計算出物體的寬度及其在該區(qū)域中的橫向相對位置。

　　1.2 系統(tǒng)組成

　　圖1為基于聲光探測的汽車定位系統(tǒng)的組成。

　　圖中單片機(jī)1、紅外發(fā)射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構(gòu)成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長度和縱向停車位置的測量。單片機(jī)2和4個超聲波測距裝置構(gòu)成的測距系統(tǒng)，用于車箱寬度和橫向停車位置的測量。

圖1 系統(tǒng)組成

　　其中紅外發(fā)射陣列和紅外接收陣列安裝于工作區(qū)域兩側(cè)車箱中部的高度，分別由N個發(fā)射模塊和N個接收模塊組成，它們均勻平行排列，收發(fā)一一對應(yīng)。4個超聲波測距裝置安裝在工作區(qū)域兩側(cè)，分成兩組，分別測量前部車箱和后部車箱。

　　主機(jī)對縱向檢測和橫向檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，判斷出工作區(qū)是否有車、哪種車型，并計算出汽車在區(qū)域中的停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。

　　2 紅外線電子移位逐行掃描電路設(shè)計和調(diào)試

　　2.1 電路設(shè)計

　　圖2為紅外線電子移位逐行掃描電路。圖中只畫出一對紅外發(fā)射和接收模塊的電路，并略去脈沖發(fā)生器電路。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生38 kHz的振蕩信號，經(jīng)過低頻脈沖調(diào)制后，送入發(fā)射模塊。紅外發(fā)射模塊的電子開關(guān)在控制信號為高電平時導(dǎo)通，把脈沖發(fā)生器送來的信號發(fā)射出去；紅外接收模塊的電子開關(guān)也在控制信號為高電平時導(dǎo)通，把紅外接收頭的接收狀態(tài)輸出，送至單片機(jī)1。電子移位電路由74LSl64串聯(lián)組成，有N個輸出端子，每一個輸出端子控制一個紅外模塊。開關(guān)信號是一個高電平脈沖，每個移位時鐘周期向前移動一位。由于收發(fā)兩側(cè)移位時鐘同步，所以，收發(fā)兩側(cè)對應(yīng)位置上的紅外模塊會一對一對地按順序輪流接通工作，由此達(dá)到電子移位逐行掃描的目的。

圖2 紅外線電子移位逐行掃描電路

　　2.2 掃描速度和精度處理

　　掃描速度主要取決于移位時鐘的周期出，完成一次掃描的時間：

　　該電路中在△f≥2 ms時，具有良好的接收可靠性。單片機(jī)l通過程序控制，可使△t一2～10 ms，以滿足不同掃描速度的需要。

　　紅外陣列中，相鄰模塊間距△Z就是縱向的最高定位精度。根據(jù)工作區(qū)域的縱向最大長度L的要求確定紅外陣列中模塊數(shù)量N，要求N×A／=L。

　　由于紅外陣列由N個功能相同的紅外模塊串聯(lián)而成，所以在制作時，以5～10個模塊做成一個電路板組件，并采用插拔式安裝結(jié)構(gòu)，各個組件電路相同，可相互替換、任意串聯(lián)，既能滿足不同工作區(qū)長度的要求，也可盡量減少現(xiàn)場更換故障模塊所需的時間。

　　現(xiàn)場安裝時，需要分段校準(zhǔn)，避免誤差累積。

　　2.3 掃描強度處理

　　在大霧或強降雨天氣，紅外線穿透能力下降，降低了紅外掃描的可靠性，通常以加大紅外發(fā)射功率來解決。為此，紅外掃描設(shè)置了普通、增強和超強三種掃描強度模式。普通模式的紅外掃描，紅外收發(fā)是“一對一”工作，同時只有1個紅外模塊發(fā)射，每次移動1位；增強模式的紅外掃描，紅外收發(fā)變?yōu)椤耙粚Χ惫ぷ?，同時有2個相鄰紅外模塊發(fā)射，每次移動1位；超強模式的紅外掃描，紅外收發(fā)變?yōu)椤耙粚θ惫ぷ?，同時有3個相鄰紅外模塊發(fā)射。很顯然，后兩種模式的紅外發(fā)射功率分別是第一種模式的2倍和3倍。后兩種掃描模式的定位精度會有所降低，但最多不超過2△L。