【正文】 超聲波概論 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械 振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的，其頻率在 20 kHz 以上。超聲波在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療技術(shù)、日常生活中的應(yīng)用越來越多。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)在不同介面上具有反射的特性，由于它有指向性強(qiáng)、方向性好、傳播能量大、傳播距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，常用于測(cè)量物體的距離、厚度、液位等。我們知道，電磁波的傳播速度為 3 108 m/s，而超聲波在空氣中的傳播速度為 340 m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同媒體里傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波， 它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法和電磁波是類似的。 A=A(x) cos(ωt+kx) () A(x)=A0 eα x () 式中， A(x)為振幅， A0 為常數(shù)，ω為圓頻率， t 為時(shí)間， x 為傳播距離， k=2π /λ為波數(shù)， A 為波長(zhǎng)， α 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為： α =a f2 () 式中， a 為介質(zhì)常數(shù)， f 為振動(dòng)頻率。在空氣中， a=2 10 ，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 f=40kHz帶入式 ， 可得 3。 2 10 /cm，即 1/α =31m。 若 f=30kHz， 則 1/α =56m，它的物理意義是：在 (1/α )的長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 e 分之一，由此可以看出，頻率越高衰減的越厲害，傳播的距離越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，選用頻率 f=40kHz 的超聲波。 超聲波具有如下特性： 1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 2） 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 3） 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 兩種常用的超聲波測(cè)距方案 基于單 片機(jī)的 超聲波測(cè)距系統(tǒng) 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為 40kHz 的方波，經(jīng)過 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波 經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接 收電路放大、 整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 6 圖 1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖 這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)， 在 接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給 LED 顯示 。 利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測(cè)距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡(jiǎn)單。許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。 基于 CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 這種測(cè)距系統(tǒng)采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)編寫程序，使用 MAX+plusII 軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。 CPLD 器件內(nèi)部的宏單元是其最基本的模塊，能獨(dú)立地編程為 D 觸發(fā)器、 T 觸發(fā)器、 RS 觸發(fā)器或 JK 觸發(fā)器工作方式或組合邏輯工作方式。它的這種特性非常適用于本 系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由 MAX 來實(shí)現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個(gè)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測(cè)距儀。 此 測(cè)距 系統(tǒng)利用 CPLD 器件控制超聲波的發(fā)射，并對(duì)超聲波發(fā)射至接收的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)算結(jié)果在 LED 上顯示出來。配合使用 MAX+plusII 開發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短。其系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。 7 圖 2 基于 CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射 40kHz 的超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)， MAX7128S 內(nèi)的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來。超聲波接收器收到反射波后就將回波信號(hào)送到 CPLD， CPLD 立即停止計(jì)數(shù)。 CPLD 所計(jì)的時(shí)間就是超聲波從傳感器到被測(cè)物的往返時(shí)間。超聲波在空氣中的傳播速度如設(shè)定為 332m/s，根據(jù)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s，即： s=332t/2。 CPLD 開始計(jì)數(shù)后，只要傳感器收到回波， CPLD 就立即停止計(jì)數(shù)，即只有最先返回的超聲波才起作 用，也就是說超聲波測(cè)距儀總是測(cè)得離傳感器最近的物體的距離。 通過以上介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s=v t/2。 超聲波測(cè)距的工作原理 超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位 檢測(cè)法； 聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為：超聲波發(fā)生器 T1 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器 T2 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式為： s=c t/2。 其中 d 為被測(cè)物與測(cè)距器的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時(shí)間。超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法如圖 3 所示。 8 圖 3 超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法 3 機(jī)器人 的模糊避障系統(tǒng) 機(jī)器人 安全 避障 是機(jī)器人 研究 的重要領(lǐng)域，人們很早就開始 對(duì) 移動(dòng)機(jī)器人的研究。斯坦福研究院 (SRI)的 Nils Nilssen 和 CharlesRosen 等人 早 在 20 世紀(jì) 70 年代 初就 研制了 Shakey 的自主移動(dòng)機(jī)器人，目的是應(yīng)用人工智能技術(shù)研究機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主推理、規(guī)劃和控制。 20 世紀(jì) 70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器 人的研究又出現(xiàn)了新的高潮。 20 世紀(jì) 90 年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。避障是智能移動(dòng)機(jī)器人基本的功能，具體的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣。避障使用的傳感器主要有 激光傳感器、 視覺傳感器、 超聲 傳感器、 紅外傳感器等。 移動(dòng)機(jī)器人的避障傳感器 激光傳感器 激光測(cè)距傳感器的方向性特別好，對(duì)一般應(yīng)用可以認(rèn)為是理想的直線。激光測(cè)距傳感器的波束很窄，所以方向性好，因此可得到障礙物的準(zhǔn)確位置。激光測(cè)距的 精確度很高，但是激光測(cè)距的技術(shù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，且一些激光傳感器發(fā)射的激光，對(duì)人的眼睛有傷害。 視覺避障 視覺避障的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣，可以獲得物體的形狀、速度等信息。實(shí)際應(yīng)用中使用多個(gè)攝像機(jī)，或是利用一個(gè)攝像機(jī)的序列圖像來計(jì)算目標(biāo)的距離和速度，還可采用 SSD 算法，根據(jù)一個(gè)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)圖像來計(jì)算機(jī)器人與目標(biāo)的相對(duì)位移，并用自適應(yīng)濾波對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減小因環(huán)境不穩(wěn)定性造成的測(cè)量誤差。在圖像處理中，邊緣銳化、特征提取等圖像處理方法計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，對(duì)中央處理機(jī)要求高，不適合在較小的自主移動(dòng)機(jī) 器人上使用。視覺測(cè)距法檢測(cè)不能檢測(cè)到玻璃等透明障礙物的存在，另外受視場(chǎng)光線強(qiáng)弱、煙霧的影響很大。 超聲傳感器 超聲傳感器的成本低，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，是機(jī)器人避障的常用傳感器。機(jī)器人 9 是利用超聲測(cè)距來探測(cè)障礙的位置，超聲波測(cè)距采用時(shí)間差測(cè)距法，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。由于超聲波在空氣中的速 度和空氣的溫度濕度有 關(guān)，在比較精確的測(cè)量中，可以把溫度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。 超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法， 但是 單超聲傳感器避障存在由于超聲波的方向性不好造成對(duì)障礙物的定位不精確， 存在探測(cè)盲區(qū)等缺點(diǎn)。 特別是當(dāng)超聲傳感器和障礙形成一定角度時(shí)會(huì)產(chǎn)生幻影導(dǎo)致機(jī)器人得到錯(cuò)誤的信息，從而發(fā)生碰撞。本文采用多個(gè)傳感器的模糊避障算法來克服超聲傳感器的幻影干擾，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全避障。 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 移動(dòng)機(jī)器人感知環(huán)境的手段是不完備的，傳 感器給出的數(shù)據(jù)是不完全、不連續(xù) 、 不可靠的，因此移動(dòng)機(jī)器人的安全避障成為當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題。安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法，但超聲避障存在一些缺點(diǎn)，如存在探測(cè)盲區(qū)等，特別是當(dāng)超聲傳感器和障礙形成一定角度時(shí)會(huì)產(chǎn)生幻影導(dǎo)致機(jī)器人得到錯(cuò)誤的信息，從而發(fā)生碰撞。本文采用多個(gè)傳感器的模糊避障算法來克服超聲傳感器的幻影干擾，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全避障。 超聲傳感器是靠發(fā)射聲波信號(hào)，利用物體界面上超聲反射來檢測(cè)障礙物。超聲波在空氣中傳播 時(shí)如果遇到其它媒介，則因兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射，因此可以根據(jù)分析檢測(cè)到的反射波來獲取障礙物信息。超聲傳感器發(fā)出的超聲波，是具有一定方向性的波束，當(dāng)超聲傳感器和障礙物形成一定角度時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生幻影。在圖 4中傳感器發(fā)出的超聲波發(fā)生了鏡面反射，雖然障礙物和機(jī)器人很近，但是由于幻影的產(chǎn)生，機(jī)器人誤認(rèn)為障礙物很遠(yuǎn)，機(jī)器人就會(huì)和障礙物發(fā)生碰撞。 圖 4 幻影產(chǎn)生示意圖 10 由于幻影的存在，實(shí)驗(yàn)采用多個(gè)超聲傳感器，消除幻影的干擾。超聲傳感器的位置排列如圖 5所示， 移動(dòng) 機(jī)器人中間的六個(gè)超聲傳感器信號(hào)，即 1號(hào)到 6號(hào)的超聲信號(hào)，每個(gè)傳感器中心角度間隔為 20度。根據(jù)需要，傳感器的間隔角度大小還可以進(jìn)行調(diào)整。 圖 5 超聲傳感器位置圖 模糊避障算法設(shè)計(jì) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的環(huán)境非常復(fù)雜，而且一般情況下是未知的，因此很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)障礙物的位置。采用模糊控制算法非常適合移動(dòng)機(jī)器人的避障，模糊控制器的輸入是超聲傳感器的距離信號(hào)，輸出是機(jī)器人的動(dòng)作，規(guī)定機(jī)器人只能有前進(jìn)或旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)一定控制策略，建立輸入輸出的模糊語言集合和模糊控制規(guī)則。 輸入輸出的模糊語言 ： 模糊控制器的輸入?yún)?shù)是機(jī)器人六個(gè) 超聲傳感器檢測(cè)到的距離信號(hào)。把六個(gè)超聲傳感器的輸入信號(hào)分為左右兩組，每組三個(gè)，即機(jī)器人左邊三個(gè)超聲傳感器為左組，機(jī)器人右邊三個(gè)超聲傳感器為右組。每次讀入左組三個(gè)超聲傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，選取其中最小的一個(gè)數(shù)值作為左邊的輸入，左邊的數(shù)值用 Left 表示。同樣，每次讀入右組三個(gè)超聲傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，選取其中最小的一個(gè)數(shù)值作為右邊的輸入，右邊的數(shù)值用Right 表示。 距離信號(hào)的模糊語言集合如下： {近，中，遠(yuǎn) }設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，并記作： ND(near distance)= 近 MD(middle distance)= 中 LD(long distance)= 遠(yuǎn) 距離參數(shù)的隸屬度函數(shù)如圖 6所示，圖中橫坐標(biāo)為距離信號(hào)，單位為厘米，縱坐標(biāo)是隸屬度。為了計(jì)算簡(jiǎn)單，采用了線性函數(shù)，可以減少控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。模糊控制器的輸出為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)或前進(jìn)，輸出的模糊語言集合如下： {右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，前進(jìn)，稍微左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn) } 11 圖 6 輸入隸屬函數(shù)圖 設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，并記作： TR(turn right)= 右轉(zhuǎn) TRL(turn right a little)= 稍微右轉(zhuǎn) GA(go ahead)= 前進(jìn) TLL(turn left a little)= 稍微左轉(zhuǎn) TL(turn left)= 左轉(zhuǎn) 輸出參數(shù)的隸屬度函數(shù)如圖 7所示，圖中橫坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)的角度大小，向左為正方向，向右為負(fù)方向，縱坐標(biāo)是隸屬度。同樣