【智能輪椅系統(tǒng)的設(shè)計9400字（論文）】

智能輪椅系統(tǒng)的設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u102101緒論 155261.1研究背景與意義 1278131.2智能輪椅在國內(nèi)外的研究概況 1227571.2.1國外發(fā)展概況 125751.2.2國內(nèi)發(fā)展概況 3302761.3主要研究內(nèi)容 3200282電動輪椅車超聲波傳感器測距原理 3239362.1超聲波測距原理 4254362.2電動輪椅車超聲波測距原理 428732.3改進(jìn)的測距算法 4107513智能輪椅系統(tǒng)的設(shè)計 66463.1智能輪椅的模塊劃分 6129533.1.1機(jī)械構(gòu)造模塊 7114823.1.2人機(jī)交互模塊 7144233.1.3驅(qū)動模塊 766743.1.4控制模塊 8203523.2環(huán)境感知和避障模塊的設(shè)計 10106933.2.1超聲測距原理 10194463.2.2超聲波傳感器系統(tǒng)硬件電路 11123733.2.3超聲波發(fā)送電路設(shè)計 12185743.2.4超聲波接收電路設(shè)計 14320863.2.5超聲波數(shù)據(jù)的采集與處理軟件設(shè)計 15159584結(jié)束語 155691參考文獻(xiàn) 161緒論1.1研究背景與意義聯(lián)合國發(fā)表報告指出：當(dāng)二十一世紀(jì)上半葉到來時，全球人口將增加0.6倍，而老年人口將增加2.3倍，老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⑸仙?0%。也就是說，全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快，今后50年內(nèi),60歲以上的人口比例預(yù)計將會翻一番。而我國是人口最多的國家，老齡化和殘疾是我們不得不面對的重大問題，據(jù)老齡委統(tǒng)計結(jié)果顯示，目前我國60歲以上的老年人已達(dá)到1.43億，超過總?cè)丝诘?0%。而我國有殘疾人6000多萬，平均每5個家庭就有一個殘疾人。另一項調(diào)查顯示，2000年，我國60歲以上老年人中有腿腳不便情況的人已接近2800萬。此外，根據(jù)中殘聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前我國肢體殘疾人接近900萬，其下肢殘疾人為200萬左右。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具,幫助他們提高行動自由度及重新融入社會,將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅的智能輪椅被提了出來。智能輪椅又稱輪椅式移動機(jī)器人，具有記憶地圖、避障、自動行走、與用戶交互及為用戶提供特殊服務(wù)等功能，融合了多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器視覺、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識別、多傳感器融合及用戶接口等。智能輪椅作為一種幫助行動不便人群的服務(wù)機(jī)器人，近年來已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，其研究除了在大學(xué)和研究所進(jìn)行外，得到了越來越多的企業(yè)和商業(yè)界的重視，是一項有良好應(yīng)用前景的高技術(shù)行業(yè)。分析智能輪椅國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢我們發(fā)現(xiàn)：初期的研究，賦予輪椅的功能一般都是低級控制，如簡單的運(yùn)動、速度控制及簡單避障等，隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人大量技術(shù)用于輪椅，智能輪椅在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，有更好的交互性、適應(yīng)性和自主性。然而，由于其以人為核心的思想，在安全導(dǎo)航和實用性能方面仍需更多的努力。其中智能輪椅的導(dǎo)航是一項核心技術(shù)，也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點和難點問題。本文圍繞智能輪椅的避障問題進(jìn)行了深入的研究，結(jié)合智能輪椅工作環(huán)境和用戶來考慮避障問題和多傳感器信息融合，研究成果也適用于通用移動機(jī)器人導(dǎo)航。1.2智能輪椅在國內(nèi)外的研究概況1.2.1國外發(fā)展概況自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅來,許多國家投入較多資金研究智能輪椅。如美國麻省理工學(xué)院WHEELESLEY項目、法國VAHM項目、德國烏爾姆大學(xué)MAID(老年人及殘疾人助動器)項目、BremenAutonomousWheelchair項目、西班牙SIAMO項目、加拿大AAI公司TAO項目、歐盟TIDE項目、KISS學(xué)院TINMAN項目、臺灣中正大學(xué)電機(jī)系LUOSON項目、我國863智能機(jī)器人智能輪椅項目及第三軍醫(yī)大學(xué)外科研究所項目等。由于各個實驗室的目標(biāo)及研究方法不盡相同,每種輪椅解決的問題及達(dá)到的能力不同。1989年法國開始研究VAHM項目，第一階段的智能輪椅由輪椅、PC486、超聲波傳感器、人機(jī)界面和一個可匹配用戶身體能力轉(zhuǎn)換的圖形屏幕組成，設(shè)置為手動、自動、半自動三種模式，手動時輪椅執(zhí)行用戶具體指令和行動任務(wù)：自動狀態(tài)時用戶只需選定目標(biāo)，輪椅控制整個系統(tǒng)，此模式需要高度的可靠性：半自動模式下用戶與輪椅分享控制。為了更好適應(yīng)用戶需求，研究者在康復(fù)中心進(jìn)行了一系列調(diào)查，得出結(jié)論：系統(tǒng)必須是多功能的，不僅應(yīng)適應(yīng)殘障人士的生理和認(rèn)知能力，也應(yīng)適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)研制出第二代產(chǎn)品，相對于第一代產(chǎn)品，其功能更豐富，面向用戶范圍更廣，性價比更好，改良了大量控制。西班牙SIAMO始于1996年，由ONCE基金會資助，目標(biāo)是根據(jù)用戶的殘障程度及特殊需求建造多功能系統(tǒng)。為達(dá)到要求，特別研究了系統(tǒng)的模塊化和靈活性，設(shè)計了分布式構(gòu)架，也著重開發(fā)了人機(jī)界面，使用戶更易于控制輪椅。項目第一個成果是一個輪椅原型，其中電子系統(tǒng)完全由ALCALA大學(xué)電子系開發(fā)，包括運(yùn)動和駕駛控制(低級控制)、基于語音的人機(jī)界面、操縱桿、由超聲波和紅外傳感器組成的感知系統(tǒng)(高級控制)，輪椅可以探測障礙及突發(fā)不平地帶。隨著項目的發(fā)展，整個系統(tǒng)包括一個完整的環(huán)境感知及綜合子系統(tǒng)、一個高級決策導(dǎo)航與控制子系統(tǒng)和人機(jī)界面三個部分，人機(jī)交互界面有五種方式：呼吸驅(qū)動、用戶獨有語音識別、頭部運(yùn)動、眼電法及智能操作桿，大大增加了用戶與輪椅交互的方式，使輪椅的功能更為豐富，而模塊化設(shè)計為將來產(chǎn)品商業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。德國烏爾姆大學(xué)在一個商業(yè)輪椅基礎(chǔ)上研制了輪椅機(jī)器人MAID，在烏爾姆市中心車站的客流高峰期及1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實地現(xiàn)場表演。該輪椅機(jī)器人在公共場所有大量乘客的擁擠環(huán)境中，通過了超過36小時的考驗，能夠自動識別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，或是否可能出現(xiàn)行駛不通的情況，自動采取繞行動作，它甚至還能夠提醒擋路的行人讓開道路。根據(jù)航行的環(huán)境不同，機(jī)器運(yùn)行模式分為：NAN(狹窄區(qū)域航行)和WAN(寬區(qū)域航行)，大大增加了航行準(zhǔn)確率。此項目得到德國科學(xué)技術(shù)部的財政支持，據(jù)計劃，這種智能輪椅將于兩年后正式面世，價格會比普通電動輪椅高出約50%。1.2.2國內(nèi)發(fā)展概況我國智能輪椅研究起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外相比有一定差距，但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國外先進(jìn)水平的智能輪椅。研究單位有中科院自動化所、臺灣中正大學(xué)電機(jī)系、上海交通大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)等。中國科學(xué)院自動化研究所承擔(dān)了“863”智能機(jī)器人智能輪椅項目，研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的機(jī)器人輪椅NLPR，曾在“863”，計劃十五周年成就展展館的人群中穿梭自如。此項研究成果于2000年11月通過“863”智能機(jī)器人主題專家組的鑒定，并研制出我國第一臺多模態(tài)交互式智能輪椅樣機(jī)。此項研究高度重視了智能輪椅人機(jī)控制界面的設(shè)計，在輪椅的設(shè)計中綜合運(yùn)用模式識別實驗室有關(guān)圖像處理、計算機(jī)視覺和語音識別等最新成果，使人能通過語音控制輪椅自由行走，輪椅可以實現(xiàn)簡單的人機(jī)對話功能。上海交通大學(xué)開發(fā)成功一種聲控輪椅，主要是為四肢全部喪失功能的殘疾者設(shè)計，使用者只需發(fā)出“開”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“?！钡戎噶睿喴慰稍?.2秒內(nèi)按指令執(zhí)行。臺灣中正大學(xué)電機(jī)系以一臺工業(yè)級PC為控制中心，通過馬達(dá)控制卡驅(qū)動放大器，利用操作桿執(zhí)行基本的電動輪椅操作功能，采取平行化設(shè)計，配備了麥克風(fēng)、CCD,LCD、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)通訊界面等，并搭配了自行開發(fā)的軟件以達(dá)到系統(tǒng)配置最佳效果。1.3主要研究內(nèi)容根據(jù)調(diào)研結(jié)果，智能輪椅在國外已取得長足的發(fā)展，但大多數(shù)也都是在實驗室或是少數(shù)定做，還沒有形成批量生產(chǎn)，在國內(nèi)也是近幾年才開始進(jìn)行研究。智能輪椅作為幫助殘疾人的一種服務(wù)機(jī)器人，應(yīng)以人為核心進(jìn)行設(shè)計，即應(yīng)當(dāng)在安全行駛和實用性方面下功夫。本文圍繞智能輪椅的安全避障進(jìn)行了深入的研究，本課題采用價格便宜、信號處理簡單、受外界環(huán)境影響較小的超聲波傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，并運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而達(dá)到安全行駛的目的。2電動輪椅車超聲波傳感器測距原理2.1超聲波測距原理利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)研制的裝置可稱為超聲換能器、探測器或傳感器.加上觸發(fā)脈沖時,超聲換能器受激以脈沖形式發(fā)出超聲波,發(fā)射出來的超聲波脈沖作用到一個聲反射的物體上,經(jīng)過一段時間后,被反射回來的聲波被換能器接收,經(jīng)過分析處理后就可以測得障礙物的距離。超聲波從發(fā)射器到物體表面,又從物體表面反射到換能器的時間為:式中,h——換能器距物體表面的距離;c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度.因此只要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得到其傳輸?shù)木嚯x。2.2電動輪椅車超聲波測距原理微處理器的I/O口發(fā)出脈沖驅(qū)動信號驅(qū)動超聲波發(fā)出信號,與此同時計數(shù)器T0開始計數(shù),當(dāng)遇到障礙物反饋信號到超聲波接收器經(jīng)放大、整形后產(chǎn)生脈沖傳送給INT0產(chǎn)生中斷,微處理器調(diào)用距離運(yùn)算子程序計算出輪椅車距離障礙物的距離,在LED上顯示.測距原理圖見圖2-1所示。圖2-1電動輪椅車超聲波測距原理框圖2.3改進(jìn)的測距算法實驗時,在換能器對面等距離間隔移動障礙物,運(yùn)行檢測障礙的程序,在數(shù)碼管上顯示單片機(jī)在超聲波從發(fā)射到接收這段時間的計數(shù)值,并將障礙物位置和對應(yīng)的單片機(jī)計數(shù)值記錄下來.障礙實際位置y1與單片機(jī)計數(shù)值x組成的一組數(shù)據(jù)如表2-1所示。表2-1障礙實際位置與單片機(jī)計數(shù)值對照表障礙實際位置y1(mm)單片機(jī)計數(shù)值x150029812100060183150081164200010046525001264763000161927350018276通過Excel擬合出曲線如圖2-2所示,得到障礙位置y與單片機(jī)計數(shù)值x的距離擬合公式為:圖2-2測距擬合曲線其相關(guān)度R2=0.9941,其中由于超聲波傳感器安裝在電動輪椅車的主體上,而主體前端還有361mm長的腳踏板.所以電動輪椅車作為一個整體,和障礙之間的距離應(yīng)該是超聲波傳感器所測距離再減去腳踏板的長度.結(jié)合距離擬合公式,計算電動輪椅車與障礙之間距離的綜合測距公式為:考慮到搖擺、顛簸及各種干擾,對測量信號需進(jìn)行判別及數(shù)字濾波.首先,如在最大檢測距離(此處取3.5m)對應(yīng)的單片機(jī)測量時間內(nèi),未產(chǎn)生INT0中斷,則將此次測量的數(shù)值舍掉,表示是由于搖擺、顛簸造成的無回波現(xiàn)象;如連續(xù)3次舍掉該類測量值,則表示前方在最大檢測距離范圍內(nèi)無障礙.然后,再對測量值進(jìn)行數(shù)字濾波,在單片機(jī)中有n個存儲單元作為測距數(shù)據(jù)單元,這n個測距數(shù)據(jù)單元中的數(shù)據(jù)保持最近的n個數(shù)據(jù)xi,即進(jìn)行滑動濾波.然后對最近的n個測距數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均值濾波,再根據(jù)綜合測距公式,計算得到距離.其中的加權(quán)平均值濾波結(jié)果C0、C1、C2、…、Cn-1均為常數(shù)項,為各次采樣值的系數(shù),它體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比例,并應(yīng)滿足，此處取n=3。3智能輪椅系統(tǒng)的設(shè)計智能輪椅的任務(wù)是安全、便捷地把用戶送到目的地，完成既定任務(wù)。在運(yùn)動過程中，輪椅既需要接受用戶的指令，又需結(jié)合環(huán)境信息啟動自身避障、導(dǎo)航等功能模塊，與其它移動機(jī)器人不同的是，在使用過程中，輪椅與用戶成為一個協(xié)同工作的系統(tǒng)。這就要求在設(shè)計之初就把人這個因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應(yīng)成為智能輪椅設(shè)計中最重要的因素；使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需要被設(shè)計為一個功能多元化，能滿足多種層次需要的電子系統(tǒng)，而模塊化最能體現(xiàn)系統(tǒng)多能化的特征，每個用戶都能根據(jù)其自身殘障類型和程度選擇適當(dāng)?shù)哪K集成，且設(shè)計者可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進(jìn)行改進(jìn)。本章著重就智能輪椅模塊化設(shè)計進(jìn)行了闡述；主要對環(huán)境感知和避障模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。3.1智能輪椅的模塊劃分智能輪椅是一個以普通電動輪椅為行動平臺，賦予一定程度智能的機(jī)電一體化系統(tǒng)。一般說來，一個復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)不可能用某種簡單結(jié)構(gòu)滿足總功能要求，需要進(jìn)行功能分解。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部組成，結(jié)合文獻(xiàn)提到的服務(wù)機(jī)器人功能劃分方式，智能輪椅總功能可以分解為以下幾個子功能：環(huán)境感知及避障功能、控制功能、驅(qū)動功能、人機(jī)交互功能和構(gòu)造功能，根據(jù)功能的劃分，將輪椅可分為一下幾個模塊來進(jìn)行設(shè)計：機(jī)械構(gòu)造模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、人機(jī)交互模塊和環(huán)境感知與避障模塊。3.1.1機(jī)械構(gòu)造模塊即輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)的基本模塊元件：齒輪副、絲桿螺母副、傳動機(jī)構(gòu)、軸承支承、連軸器、支架、潤滑系統(tǒng)等。輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸大小圖3.1中所示：（單位：mm）圖3.1輪椅基本尺寸示意圖3.1.2人機(jī)交互模塊人機(jī)接口作為用戶和輪椅之間的交互方式，必須設(shè)計得合理，方便，易于使用，也需從技術(shù)、心理學(xué)及經(jīng)濟(jì)角度來選擇用戶與機(jī)器間最佳的合作方式。輪椅提供其反應(yīng)和自動行動能力，用戶提供對環(huán)境的感知和理解。在構(gòu)建系統(tǒng)的每個階段中應(yīng)把用戶作為系統(tǒng)不可或缺的中心部分納入考慮，而輪椅的設(shè)計并不是使其自動化程度越高越好，應(yīng)在不加重用戶負(fù)擔(dān)的前提下充分利用其能力，故輪椅系統(tǒng)的自動化程度應(yīng)基于用戶的身體和認(rèn)知能力而設(shè)計，也決定了用戶與機(jī)器之間的交互方式應(yīng)豐富多彩，己有的智能輪椅都設(shè)計了既有共性也有個性的人機(jī)接口。比較通用的有界面操作(如菜單選擇、鼠標(biāo)驅(qū)動等)和操作桿形式，各個系統(tǒng)根據(jù)自身需要也設(shè)計了語音識別、頭部運(yùn)動、鷹眼系統(tǒng)、呼吸驅(qū)動等富有特色的交互方式，一般在每個系統(tǒng)中都是幾種方式共存，以便根據(jù)環(huán)境、用戶身體狀況來選擇合適的接口。在這里我們采用最簡單的手柄式操作進(jìn)行人機(jī)交互控制。3.1.3驅(qū)動模塊本輪椅采用雙后輪驅(qū)動，用無刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。無刷直流電動機(jī)(BLDCM)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，又具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能，并且用電子換向電路代替了機(jī)械換向器，消除了勵磁損耗，故得到了迅速的發(fā)展.現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于伺服控制、醫(yī)療器械、儀器儀表及家用電器等領(lǐng)域。無刷直流電動機(jī)的本體實質(zhì)上是一臺永磁同步電動機(jī)，只是去除了永磁同步電動機(jī)的起動裝置。定子三相繞組通過交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。電機(jī)采用Y型連接，由6個IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變器為其供電。如圖3.2所示，逆變器通常采用導(dǎo)通型，當(dāng)兩相導(dǎo)通時，另一相斷開。無刷直流電動機(jī)內(nèi)的位置傳感器輸出三路互差120°，寬度為180°的脈沖信號.三路脈沖信號在一個周期內(nèi)可以組合出六種有效的狀態(tài)，各個不同狀態(tài)對應(yīng)轉(zhuǎn)子的不同位置.再結(jié)合換相邏輯，對連接到三相定子繞組的逆變器模塊的6個IGBT進(jìn)行開關(guān)控制，使三相定子繞組按照一定順序依次通電，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電機(jī)連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。通過對定子繞組輸入電壓進(jìn)行PWM斬波，可以改變定子繞組的平均電壓，進(jìn)而實現(xiàn)了調(diào)壓調(diào)速。圖3.2三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動電路3.1.4控制模塊本課題采用TI的TMS320LF2407ADSP作為智能輪椅的控制器。DSP芯片是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有專門的乘法器，采用流水線操作。TMS320LF240xADSP主要有以下一些特點：●采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V,減少了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短為25ns，從而提高了控制器的實時控制能力?！窕赥MS320C2xxDSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。●片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，高達(dá)2.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)?！駜蓚€事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制((PWM)通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相逆變器控制：PWM的對稱和非對稱波形的產(chǎn)生；當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速封鎖PWM輸出通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止逆變器同一橋臂功率器件直通；3個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16模擬輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和逆變器?！窨蓴U(kuò)展的外部存儲器(LF2407A)總共192K字空間：64K字程序空間：64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲空間：64K字I/O尋址空間。圖3.3TMS320LF2407A結(jié)構(gòu)●看門狗定時器模塊(WDT)?！?0位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，可選擇有兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器?！窨刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊?！窕阪i相環(huán)的時鐘發(fā)生器?！窀哌_(dá)40個可單獨編成或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。●5個外部中斷源(兩個電機(jī)功率器件保護(hù)中斷、一個復(fù)位中斷源和兩個可屏蔽中斷)?！耠娫垂芾戆?種低功耗模式，能獨立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。此芯片的結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示，其內(nèi)部的兩個事件管理器可與驅(qū)動部分相連接，來實現(xiàn)對兩個無刷直流電機(jī)的驅(qū)動，控制和驅(qū)動電路如圖3.4所示：圖3.4DSP控制驅(qū)動電路圖3.2環(huán)境感知和避障模塊的設(shè)計3.2.1超聲測距原理超聲波是指頻率在2000Hz以上，不能引起正常人聽覺反應(yīng)的機(jī)械振動波。其波長很短，可以集成狹小的發(fā)射線束，呈束狀直線傳播，傳播具有一定的方向性。同時超聲波作為一種非接觸的檢測方式，和紅外、激光及無線電測距相比，不受光線、被測對象的顏色等的影響，在惡劣的環(huán)境中(如含粉塵時)具有一定的適應(yīng)能力，比激光測距更容易獲得近距離信息，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。為了研究和利用超聲波，人們己經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.5所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，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，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。圖3.5超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖超聲波測距原理很簡單，一般采用渡越時間法(Timeoffight,TOF)，即檢測超聲波往返距離的時間，由于所用的時間與超聲波通過距離成正比，當(dāng)超聲波發(fā)射極發(fā)出一個短暫的脈沖時，計時開始；當(dāng)超聲波接收器接收到第一個返回脈沖后，計時立即停止。此時，記錄得到的時間值為D=CT/2，其中D為機(jī)器人與被測物之間的距離，C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度(,t為攝氏溫度)，T為超聲發(fā)射到返回的時間間隔。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，但其中傳播速度隨介質(zhì)溫度的上升而加快，氣溫增高10℃，速度加快0.6m/s。圖3.6給出了超聲波傳感器的構(gòu)成原理圖。圖3.6超聲波傳感器構(gòu)成原理圖3.2.2超聲波傳感器系統(tǒng)硬件電路超聲波傳感器系統(tǒng)由三部分組成：控制部分、總線驅(qū)動部分、超聲波發(fā)送與接收部分。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.7所示。控制器通過I/O輸出發(fā)射超聲波信號經(jīng)過雙總線驅(qū)動片74HC245分別發(fā)送到下面八個信號發(fā)生電路板分別控制八個超聲波的發(fā)送，再由下面八個信號接收板接收到超聲波信號放大以后經(jīng)過總線驅(qū)動分別傳送到控制器的輸入口，然后控制器根據(jù)發(fā)送時間與接收時間差T，根據(jù)渡越時間法：即D=CT/2，計算機(jī)器人與前面障礙物的距離，最后通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)由串行口COM1將結(jié)果送到PC/104處理程序。圖3.7環(huán)境感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.3超聲波發(fā)送電路設(shè)計超聲波發(fā)送電路結(jié)構(gòu)圖見圖3.7框1，原理圖如下圖3.8所示：圖3.8超聲波發(fā)送電路原理圖通過對超聲波的衰減特性和在空氣中的阻尼的分析，如圖3.9和3.10，同時考慮超聲波靈敏度的影響,如圖3.11可知，頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳；同時，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40kHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。每個信號發(fā)生板由發(fā)送與接收兩部分組成。發(fā)送部分主要由超聲波發(fā)送器和多諧震蕩電路以及由6個非門構(gòu)成的驅(qū)動放大芯片HEF4069組成。其中多諧振蕩器由兩個4011與非門IC1A、IC1B及C1、R1、R2及可調(diào)電阻RP1組成。通過調(diào)節(jié)RP1來調(diào)節(jié)震蕩頻率，由下式?jīng)Q定：DSP控制器通過軟件編程首先初始化I/O口，使其都為低電平，分別發(fā)送給多諧振蕩器的置零輸入端，使其振蕩器的輸出被置為低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。當(dāng)要發(fā)送超聲波信號時，其控制器通過軟件控制該I/O口輸出高電平圖3.9不同頻率的超聲波的衰減特性圖3.10空氣中聲波阻尼圖則使振蕩器的置零輸入端為高電平，振蕩器輸出40KHz的方波，經(jīng)過HEF4069放大，HEF4069相應(yīng)的輸出為高電平，接著傳送到超聲波發(fā)生傳感器，開始發(fā)射超聲波。一般發(fā)射超聲波時間為125-200微秒，即5-8個40KHz的方波，通過軟件控制經(jīng)過一段延時以后即可以通過該I/O口輸出低電平，則使振蕩器輸出端輸出零，關(guān)閉超聲波的發(fā)送。然后一般要停頓一段時間才能開始接收超聲波，這是為了防止傳感器發(fā)射的超聲波沿著電路板或外殼等直接進(jìn)入接收傳感器，即所謂的“虛假反射波”而引起誤差。停頓時間一般為1.765ms,據(jù)D=CT/2，可以求出盲區(qū)距離為30cm。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。本系統(tǒng)有八路測距通道，采用分時工作，按順序循環(huán)測距。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)射的反射波，否則認(rèn)為前一路無被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間。在本系統(tǒng)中，傳感器的盲區(qū)約為30cm，對應(yīng)值為8；沒有反射波時，對應(yīng)值為255。規(guī)定距離每增加3cm，對應(yīng)值加l。由此可求得最大測距范圍為(255-8)*3+30=770cm，則常溫下發(fā)送脈沖間隔時間t=2D/C=2*7.7/340=45ms。圖3.11超聲波靈敏度曲線3.2.4超聲波接收電路設(shè)計接收部分主要由超聲波接收器和運(yùn)算放大器以及電壓比較器組成。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右，故采用三級放大電路。LM324的3個運(yùn)算放大器IC3A、IC3B、IC3C組成三級回波信號放大電路，前兩級各放大100倍，第三級放大60倍左右。C6、D1組成信號整流濾波電路，將接收到的40kHz反射波交流信號轉(zhuǎn)化成直流電壓信號。LM324第4個運(yùn)算放大器IC3D作為電壓比較電路，將信號直流電壓與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓比較。當(dāng)信號電壓大于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出正脈沖，Q1導(dǎo)通，使比較器相應(yīng)輸出端P為低電平并送到DSP控制器，然后控制器探測到為高電平則產(chǎn)生中斷并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，根據(jù)從發(fā)射到接收所花的時間算出距離。DSP控制器與上一級PC104的通一訊是采用串行通訊方式，由于PC/104配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，而DSP輸入輸出電平為TTL電平。二者的電氣規(guī)范不一致，所以他們之間連接采用MAX232芯片。3.2.5超聲波數(shù)據(jù)的采集與處理軟件設(shè)計圖3.12給出了該超聲波傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理的程序框圖，該模塊主要完成8通道超聲波數(shù)據(jù)的循環(huán)采集處理，同時還把采集的距離數(shù)據(jù)和通道號及時傳送給PC/104。程序開始時的初始化包括定時器TO和外部中斷1的初始化。置工作方式1，構(gòu)成16位定時器?；夭ㄖ袛嘤赏獠恐袛?觸發(fā)，中斷程序很簡單，一方面使定時器仍停止計時，一方面置回波標(biāo)志。圖3.12超聲波傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理的程序框圖4結(jié)束語設(shè)計的電動輪椅車在正前方安裝按照上述方法設(shè)計的超聲波傳感器,當(dāng)靠近障礙物時,超聲波傳感器就會給出信號提示駕駛者應(yīng)該避障,這樣可以有效避免事故的發(fā)生,保障駕駛者的安全.此種測距方法測量精度可以達(dá)到cm級,具有較高的使用價值.設(shè)計的輪椅車在前方安裝了傳感器,為了改進(jìn)測量的多面性、全面性,可采用多組傳感器,運(yùn)用多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行障礙檢測,進(jìn)一步完善避障功能。參考文獻(xiàn)[1]王國軍.超聲波測距傳感器