在自主行走機器人系統中，機器人要實(shí)現在未知和不確定環(huán)境下行走，必須實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，以實(shí)現避障和導航，這必須依靠能實(shí)現感知環(huán)境信息的傳感器系統來(lái)實(shí)現。視覺(jué)、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機器人中得到廣泛應用。由于超聲波測距方法設備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、設計簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量距離、測量精度等方面能達到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應用。本文所介紹的機器人采用三方超聲波測距系統，該系統可為機器人識別其運動(dòng)的前方、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運動(dòng)距離的信息。
超聲波測距原理
超聲波發(fā)生器內部由兩個(gè)壓電片和一個(gè)共振板組成。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì )發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當共振板接收到超聲波時(shí)，就成為超聲波接收器。超聲波測距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比，測量電壓即可測量距離；②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，根據被測距離s=vt？2來(lái)得到測量距離，由于超聲波速度v與溫度有關(guān)，所以如果溫度變化比較大，應通過(guò)溫度補償的方法加以校正。
本測量系統采用第二種方法，由于測量精度要求不是特別高，所以可以認為溫度基本不變。本系統以PIC16F877單片機為核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現其對外圍電路的實(shí)時(shí)控制，并提供給外圍電路所需的信號，包括頻率振動(dòng)信號、數據處理信號等，從而簡(jiǎn)化了外圍電路，且移植性好。系統硬件電路方框圖見(jiàn)圖1。
圖1 系統硬件電路方框圖
由于本系統只需要清楚機器人前方、左方、右方是否有障礙物，并不需要知道障礙物與機器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設定一距離閥值，使障礙物與機器人的距離達到某一值時(shí)，單片機控制機器人電機停轉，這可通過(guò)軟件編程實(shí)現。
超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當單片機上電時(shí)，單片機從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，但是此時(shí)該信號無(wú)法通過(guò)與非門(mén)進(jìn)入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開(kāi)關(guān)S1時(shí)，從RA1口發(fā)射出一門(mén)控信號，該信號的頻率為4kHz，同時(shí)啟動(dòng)單片機內部的定時(shí)器TMR1，開(kāi)始計數。該門(mén)控信號每發(fā)射一個(gè)周期的波形，超聲波就會(huì )發(fā)射10個(gè)完整的波形，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms，而門(mén)控信號的周期為1（4kHz）=0125ms。最后根據s=vt2求出障礙物與移動(dòng)機器人的距離。當超聲波接收頭收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，計數器停止計數，時(shí)間t 可以根據計數器的計數與門(mén)控信號的周期求出。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動(dòng)控制超聲波的發(fā)射和停止。本系統的電路還包括人工復位電路，由單片機的MCLR引腳接S2來(lái)控制，超聲波發(fā)射電路圖見(jiàn)圖2。
圖2 超聲波發(fā)射電路圖
門(mén)控電路（RS觸發(fā)器）
為實(shí)現對超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，須在電路中加一門(mén)控電路，該門(mén)控信號頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門(mén)信號，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過(guò)閘門(mén)，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個(gè)數。門(mén)控電路由RS觸發(fā)器組成，當輸入端R=1（S=0）時(shí)復位，即輸出端Q=0;當R=0（S=1）時(shí)置位，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機的RA2口相連。
超聲波放大電路
超聲波放大電路由三極管等組成，由于單片機RA口最多只有20mA～25mA上拉電流，而超聲波發(fā)射器最小需要60mA的電流，所以在與非門(mén)后加一級放大電路來(lái)放大電流，以完成超聲波的發(fā)射。超聲波放大發(fā)射電路見(jiàn)圖3。
圖3 超聲波放大發(fā)射電路圖
超聲波接收放大電路
由于超聲波接收頭接收到的超聲波信號很微弱，所以在其后需加一超聲波接收放大電路。該電路采用兩個(gè)集成運放，設計為兩級，兩級都為同相輸入，因為同相輸入的電壓放大倍數為1+RfR，所以每一級的放大倍數為10，兩級放大倍數接近100倍，這樣后續電路就可以很容易地檢測到輸入的信號。集成運放采用雙電源供電，超聲波接收放大電路見(jiàn)圖4。
圖4 超聲波接收放大電路圖
信號濾波電路
從信號放大電路出來(lái)的聲波帶有一定的干擾，為了去除干擾信號，需要一濾波電路，信號濾波電路選用帶通濾波器電路，使其中心頻率為40kHz、帶寬為2kHz，外加一過(guò)零比較器，使輸出信號轉化為方波信號。信號濾波電路見(jiàn)圖5。
圖5 信號濾波電路圖
信號整形電路
從信號濾波電路出來(lái)的方波信號很不規則，故其后加一整形電路，整形電路由兩級非門(mén)串聯(lián)，并聯(lián)一電阻組成，整形后再送單片機進(jìn)行處理，信號整形電路見(jiàn)圖6。
圖6 信號整形電路圖
本文設計的超聲波測距系統采用了單片機編程技術(shù)，配合硬件完成了系統的要求，其精度能滿(mǎn)足大部分的工程需要。與傳統的測距系統相比，具有結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、移植性好等特點(diǎn)。
技術(shù)資料出處:電子發(fā)燒友
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