【導(dǎo)讀】肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇膇芀莄羆膆莂蠆袂膆蒅蒂螈膅膄蚈蚄螁芇蒁薀螀荿蚆袈袀肈葿螄衿膁蚄蝕袈莃蕆蚆袇蒅莀羅袆膅薅袁裊芇莈螇襖莀薄蚃襖聿莇蕿羃膂薂袈芄蒞螄羈蒆薀螀羀膆蒃蚆罿羋蠆薁羈莁蒁袀羈肀蚇螆羇膃蒀螞肆芅蚅薈肅莇蒈袇肄膇芁袃肅艿薆蝿肂莁荿蚅肂肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇膇芀莄羆膆莂蠆袂膆蒅蒂螈膅膄蚈蚄螁芇蒁薀螀荿蚆袈袀肈葿螄衿膁蚄蝕袈莃蕆蚆袇蒅莀羅袆膅薅袁裊芇莈螇襖莀薄蚃襖聿莇蕿羃膂薂袈芄蒞螄羈蒆薀螀羀膆蒃蚆罿羋蠆薁羈莁蒁袀羈肀蚇螆羇膃蒀螞肆芅蚅薈肅莇蒈袇肄膇芁袃肅艿薆蝿肂莁荿蚅肂肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇膇芀莄羆膆莂蠆袂膆蒅蒂螈膅膄蚈蚄螁芇蒁薀螀荿蚆袈袀肈葿螄衿膁蚄蝕袈莃蕆蚆袇蒅莀羅袆膅薅袁裊芇莈螇襖莀薄蚃襖聿莇蕿羃膂薂袈芄蒞螄羈蒆薀螀羀膆蒃蚆罿羋蠆薁羈莁蒁袀羈肀蚇螆羇膃蒀螞肆芅蚅薈肅莇蒈袇肄膇芁袃肅艿薆蝿肂莁荿蚅肂肁薅薁肁膃莇衿膀芆薃螅腿莈莆蟻膈肈薁薇

　　

【正文】 檢測(cè)從發(fā)射換 19 能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收換能器的時(shí)間，即渡越時(shí)間，渡越時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，便可得到超聲波發(fā)射器和接收器之問的距離。超聲波障礙距離探測(cè)系統(tǒng)的原理如圖 316所示。 Fig316 The chart of ultrasonic distance survey system 1其計(jì)算公式為 1) 2 其中 D為移動(dòng)機(jī)器人與被測(cè)障礙物之間的距離 。t為超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔，即 “渡越時(shí)間 ”。C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度， C的值會(huì)隨著溫度的變化而變化，在空氣中 C與溫度的關(guān)系為 秒， (T為攝氏溫度 )，在不要求測(cè)距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為 C為常數(shù)，在試驗(yàn)中，設(shè)定為 C=343. 2m/s. [12] 超聲波傳感器測(cè)距模塊的設(shè)計(jì) 考慮到履帶式移動(dòng)機(jī)器人的使用環(huán)境， 要求超聲波換能器能適應(yīng)一般的惡劣環(huán)境，并便于多個(gè)超聲波傳感器的靈活使用。因此選用的超聲換能器是收發(fā)一體型的 EFR240RSC，它性價(jià)比高，體積小，工作頻率 40kHz，使用溫度 40～ +80℃ ，防塵、防水，測(cè)距范圍 0. 2～ 5m。 超聲波傳感器系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收電路等模塊組成，整個(gè)系統(tǒng)主要是由主單片機(jī)來控制，從而完成超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收。另外本系統(tǒng)設(shè)有接近開關(guān)，接近開關(guān)的觸發(fā)響應(yīng)及發(fā)出移動(dòng)機(jī)器人緊急停車信號(hào)、控制通訊等功能也都是通過主單片機(jī) SPCE061A 來完成的在移動(dòng)機(jī)器人中，為了對(duì)環(huán) 境有充分的了解，獲取足夠的環(huán)境信息，建立有效的環(huán)境模型，單個(gè)傳感器不足以完成機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知，必須采用多個(gè)傳感器組成機(jī)器人的感知系統(tǒng)。典型圖316超聲波障礙距離探測(cè)系統(tǒng)的原理圖 20 的做法是按照 15度的間隔進(jìn)行配置，這樣一周 360度共需要 24個(gè)。該履帶式移動(dòng)機(jī)器人擬配備 10個(gè)超聲傳感器，在機(jī)器人的前進(jìn)方向按照 15度的間隔配置7個(gè)，覆蓋前方 105度的區(qū)域，另外三個(gè)分別安裝在正左方、正右方及正后方，可以用來探測(cè)穿過狹窄通道時(shí)的環(huán)境信息。 1）超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射部 分主要由超聲波信號(hào)發(fā)生電路、多路選擇開關(guān)、緩沖升壓放大和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成。為有效探測(cè)機(jī)器人周圍的環(huán)境信息，除了盡量使超聲波發(fā)射頻率達(dá)到 40 kHz的最佳工作頻率外，緩沖升壓驅(qū)動(dòng)也非常關(guān)鍵的。超聲波發(fā)射過程是 :首先由主單片機(jī)控制多路模擬開關(guān) (CD4052，雙 4 路模擬開關(guān) )，循環(huán)啟動(dòng) 10路發(fā)射電路，經(jīng) IOB9口產(chǎn)生脈寬為 的 40kHz的調(diào)制脈沖波，再經(jīng)脈沖變壓器產(chǎn)生幅度達(dá) 60V 的瞬間高能激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào) [13]。超聲波傳感器收發(fā)電路圖如圖 317所示。 圖 317超聲波傳感器收發(fā)電路圖 Fig317The receiving and sending circuit of ultrasonic sensor 超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調(diào)一致工作，才能保證信號(hào)準(zhǔn)確靈敏地接收。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開關(guān)、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。由于超聲波在傳播中，其能量會(huì)隨傳輸距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號(hào)一般比較弱 (為 mV級(jí) )，所以需要經(jīng)過多級(jí)信號(hào)放大處理 .該移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)采用了三級(jí)放大處理，將信號(hào)放大約 150萬倍，然后經(jīng)整形電路輸出。 第一級(jí)為初級(jí)放大，選用了通用運(yùn)放 LM358 對(duì)接收的弱信號(hào)進(jìn)行 100 倍左右的放大處理 .為防止 “強(qiáng) ”虛假反射波串入后對(duì)電路的沖擊影響，采用兩個(gè)二極管 D1, D2作為 :第二級(jí)位諧振選頻放大電路，放大 40 kHz左右的超聲波信號(hào)，同時(shí)濾出其他頻率的干擾信號(hào) 。接著，經(jīng)過由二極管 D3, D4及電容 21 構(gòu)成的整形電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行第三級(jí)放大整形處理，形成正相脈沖波，最后激發(fā)由三極管 TR2 構(gòu)成的脈沖輸出電路產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，使單片機(jī)的 EXT1 口響應(yīng)中斷，并停止高速計(jì)數(shù)器 TimerB的計(jì)數(shù) ，計(jì)算出距離。 本系統(tǒng)采用分時(shí)工作，按五個(gè)方向 10 個(gè)傳感器的順序循環(huán)測(cè)距，若在有效測(cè)距范圍內(nèi)有被測(cè)障礙的話，則應(yīng)該在后一路超聲波束發(fā)出之前接收到前一路發(fā)出的反射波，否則認(rèn)為前一路無障礙。因此按照有效測(cè)距范圍可以估算出最短的脈沖發(fā)送間隔時(shí)間。我們的系統(tǒng)最大測(cè)距范圍為 4m，脈沖時(shí)間間隔為，實(shí)際我們?nèi)?。 2)距離計(jì)算與多路選通控制設(shè)計(jì) 障礙的距離由收發(fā)的時(shí)間間隔計(jì)算得到。超聲波從發(fā)射到接收間隔時(shí)間的測(cè)定是由主單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來完成的。超聲波在發(fā)射的瞬間，有部分聲波會(huì)直 圖 318多路選通控制電路圖 Fig318 The controlling figure of multiroute selection 接串入接收端產(chǎn)生 “強(qiáng) ”的虛假反射波。為了有效地避開 “虛假 ”信號(hào)，需要進(jìn)行軟件延時(shí)處理，從發(fā)射開始一直到 “虛假發(fā)射波 ”結(jié)束為止，由于這段時(shí)間觸發(fā)器不能置 1”從而不會(huì)發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)。因此，通過觸發(fā)器 (74LS74)清零信號(hào)，可以有效地躲過干擾，同時(shí)這樣會(huì)導(dǎo)致所謂的探測(cè) “盲區(qū) ”問題。本移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的盲區(qū)大約為 25cm。由主單片機(jī)控 制的多路開關(guān)來控制 10個(gè)通道分時(shí)工作的順序。由三個(gè) CD4502 和一個(gè) 24 譯碼器擴(kuò)展成一個(gè)雙 10 路的模擬開關(guān)。CD4052 的 X 側(cè)選擇發(fā)送通道， Y 側(cè)選擇接收通道，由主單片機(jī) SPCE061A 的IOB11～ IOB14按順序發(fā)出通道選擇信號(hào)，使發(fā)送通道與接收通道一一對(duì)應(yīng)地接 22 通。多路選通控制圖如圖 318所示 ,其中 EN接到 IOB15上。 3)接近開關(guān)的電路設(shè)計(jì) 用四個(gè)接近開關(guān) (1～ 4)安裝在移動(dòng)機(jī)器人的四周，以克服超聲波探測(cè)時(shí)的 “盲區(qū) ”及應(yīng)付突發(fā)的物體。當(dāng)有不明物體碰撞到移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，離其最近 的接近開關(guān)動(dòng)作，觸發(fā)單片機(jī)的中斷，移動(dòng)機(jī)器人就停止運(yùn)行，哪個(gè)接近開關(guān)，調(diào)用中斷程序做出相應(yīng)的處理。由于主單片機(jī) SPCE061A 只有兩個(gè)外部中斷輸入端。外部中斷源 SPCE061A單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷，分別為 EXT1和 EXT2。兩個(gè)外部輸入腳分別為 IOB2 和 IOB3。兩條外部中斷請(qǐng)求輸人線用于輸入兩個(gè)外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)，外部中斷是以負(fù)跳沿觸發(fā)方式來輸人中斷請(qǐng)求信號(hào)的。其中EXT1 圖 319 近開關(guān)連接結(jié)構(gòu)圖 Fig319 The frame of approaching switch 己被超聲波測(cè)距系統(tǒng)使用。還有四個(gè)接近開關(guān)，需要四個(gè)中斷。我們采用以下的方法增加中斷端口。每個(gè)接近開關(guān)都接在 EXT2，同時(shí)利用輸入口線作為多中斷端口情況下各中斷端口的識(shí)別線。同一根外部中斷輸入引腳 EXT2上有 4個(gè)中斷源，集電極開路的非門構(gòu)成或非電路，無論哪個(gè)接近開關(guān)動(dòng)作提出中斷請(qǐng)求，都會(huì)使 EXT2的引腳變低，究竟哪個(gè)接近開關(guān)動(dòng)作，可以查詢 IOA0～ IOA3的邏輯電平獲知，它們的優(yōu)先可以由軟件排定，我們這里優(yōu)先級(jí)按接近開關(guān)一至接近開關(guān)四由高到低順序排列。結(jié)構(gòu)圖如圖 319所示，電源電壓為 +5V。 接近開關(guān)實(shí)質(zhì)為一種非接觸式的傳感器，此處采用反射式紅外光電傳感器ST198。它由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，檢測(cè)距離 23 范圍為 50~200mm，接近開關(guān) 1的電路如圖 320所示。紅外光電二極管發(fā)出紅外線，如前方有障礙物則紅外線被反射回來，照射到光電晶體管的基極使三極管導(dǎo)通， C點(diǎn)電壓為 “L”；反之，則無紅外線反射回來，光電三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，C點(diǎn)電壓為 “H”。因此可以利用 C點(diǎn)電位的變化即可判斷前方障礙物的有無。 圖 320 接近開關(guān) 1的電路 圖 Fig320 The circuit of the approaching switch 1 履帶式移動(dòng)機(jī)器人無線通訊模塊的硬件設(shè)計(jì) 無線通信環(huán)節(jié)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它聯(lián)系著作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)機(jī)器人和遙控處的計(jì)算機(jī)，是圖像信息、傳感器信息和控制量信息的傳輸通道。這套遙控系統(tǒng)由遙控計(jì)算機(jī)、移動(dòng)機(jī)器人、數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)，圖像無線傳輸系統(tǒng)組成。圖像無線傳輸系統(tǒng)將移動(dòng)機(jī)器人前方的攝像頭圖像傳輸?shù)竭b控計(jì)算機(jī)上，合成立體圖像，供遙操作者使用。數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)在移動(dòng)機(jī)器人和遙控計(jì)算機(jī)之間傳遞移動(dòng)機(jī)器 人的狀態(tài)參數(shù)以及遙控控制命令。 數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遙控計(jì)算機(jī)和機(jī)器人雙向的數(shù)據(jù)交換。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用基于 nRF401無線通信單片機(jī)的 PTR2020微小型、低功耗、高速率 19. 2K無線收發(fā)數(shù)傳 MODEM。該器件采用抗干擾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。另外，由于采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設(shè)計(jì)，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，采用目前低功率無線數(shù)傳的高科技技術(shù)。該模塊在內(nèi)部集成了高頻發(fā)射、高頻接收、 PLL 合成、 FSK 調(diào)制 /解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能。工作頻 率為國際通用的數(shù)傳頻段 433MHz, FSK調(diào)制，工作電壓 2. 7～ 5. 25V，功耗小。工作最高速率可達(dá) 20kb/s，也可在較低速率下工作且接收發(fā)射合一。該無線收發(fā) 24 模塊主要有以下特性 : 體積小，約 ，且接收發(fā)射合