1、第卷計算機應用年月文章編號：（）一移動機器人多傳感器測距系統研究與設計梁毓明，徐立鴻（同濟大學電子與信息工程學院，上海；江西理工大學機電工程學院，江西贛州）（）摘要：設計了多傳感器測距系統的硬件電路和相應的軟件，采用高速運放和高速比較器減小信號傳輸延時，用雙比較器整形電路消除回波前沿時間誤差，利用進行高速計時，對聲速進行溫度補償，并對其盲區采用紅外線測距傳感器和碰撞開關進行彌補，提高超聲波測距精度。實驗表明，在近距離測量范圍內，該超聲波測距方法可以達到毫米級。這種測量系統可以滿足機器人避障與定位的實際需要。關鍵詞：超聲波傳感器；紅外測距傳感器；雙比較器整形電路；中圖分類號：；文獻標志碼：一，（

2、，螂，；，五，）：，：；引言距車體外沿的位置。移動機器人在行進中，可以探測其周圍個方向上是否存在障礙物及其距機器人的距離。傳感器是自主移動機器人系統必不可少的重要組成部分¨之一。在完全結構化的已知環境中，傳感器系統用于引導機器人的運動，監控預期任務的執行，處理可能的意外情況；而在未知或動態變化的環境中，因為不能預先獲知環境的信息，。、巧：，機器人完全依靠傳感器系統實時感知環境，進行導航與定位。目前，用于機器人避障和測距的傳感器有紅外、超聲波、激光及視覺傳感器。激光傳感器和視覺傳感器價格昂貴，且對。泌。：一控制器的要求較高，而超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易廷”。、。、。實現等優點，

3、被廣泛用作測距傳感器，實現定位及環境建模。圖超聲波傳感器和紅外傳感器布局由于超聲波傳感器測距存在盲區，其測距范圍一般為超聲波測距原理，為了彌補超聲波傳感器的盲區，增加了紅外線測超聲波測距原理如圖所示。首先使超聲波換能器向介距傳感器。本系統所用的超聲波傳感器測距范圍：質中發射聲波信號，聲波遇到被測物體后必有反射回來的聲，紅外測距傳感器測距范圍：。通過波作用于超聲波換能器上。若已知介質中的聲速為”，測得第合理安裝傳感器，并使紅外測距傳感器的盲區恰好在機器人的一個回波到達的時刻與發射聲波時刻的時問差為，即可以按內部，而其量程覆蓋超聲波傳感器的盲區；同時安裝碰撞開關，式，計算超聲波換能器與被測物體之間

4、的距離，測量以提高機器人探測障礙物的可靠性。測距系統將測量結果傳送給上位機，由根據測量結果對機器人進行控制。距離一（），若時，則在本系統中，為了考慮成本與安裝方便，而采用了收發一體的超聲波傳感器，系統測距原理則。本系統采用多個超聲波傳感器和紅外傳感器實現測距，常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體其布局如圖所示。其中。（，）為超聲波傳感器中的傳播速度為怛：和碰撞開關；：（，）為紅外傳感器。超聲波傳感器”。廂河云（）安裝在機器人車體外沿邊上，夕傳感器安裝在機器人內部式中為氣體摩爾質量，為氣體的比熱比，為氣體常數，收稿日期：一；修回日期：。基金項目：國家自然科學基金資助項目（）。作者簡介

5、：粱毓明（一），男（壯族），廣西來賓人。講師，博士研究生，主要研究方向：智能自動化、移動機器人；徐立鴻（一），舅，山東日照人，教授，博士生導師，主要研究方向：智能自動化。月為熱力學溫度。梁毓明等：移動機器人多傳感器測距系統研究與設計頻率為，發射角（全角）為，分辨率高，探測范圍：對于一定的氣體、為定值。由式（）可知：聲速與熱力學溫度的平方根成正比。溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。時，空氣中聲速的實驗值為，空氣中聲速表達式為口。超聲波測距電路原理框圖如圖所示。，其中為攝氏溫度。為了消除或減少環境溫度對測距的影響，提高超聲波測距精度，在本系統中進行了溫度補償。圖多傳感器測距系統原理目標圖超聲波測

6、距原理工形電路紅外測距原理紅外線雖然波長比可見光長，但它仍然是一種光，它在空氣中的傳播速度仍然是×，通常情況下，紅外線要探測的距離短，利用渡越時間法測量距離不能夠獲得準確的結果。的紅外傳測距感器都是基于三角測量原理，如圖所示。紅外發射器按照定的角度發射紅外光束，當遇到物體以后，光束會反射回來。反射回來的紅外光線被光感應板檢測到以后，會獲得一個偏移值已；利用三角關系，在知道了偏移距，兩透鏡的中心矩，以及透鏡的焦距，以后，傳感器到物體的距離就可以通過幾何關系計算出來了：。可以看到，當距離足夠小時，值會相當大，超過光感應板的探測范圍，這時，雖然物體很近，但是傳感器反而看不到了。當物體距離很

7、大時，值就會很小。這時光感應板能否分辨得出這個很小的值成為關鍵，也就是說光感應板的分辨率決定能不能獲得足夠精確的值。要檢測越是遠的物體，光感應板的分辨率要求就越高。雙比較器整至蝌圜刨罩整杰孤麗要）電路三。二二彳。一超聲波驅動電路一！一。！。生鳘囂；熊妻圖超聲波測距電路原理內部邏輯電路設計在系統中主要完成超聲波觸發信號的產生、檢波、計時、抗干擾邏輯。其內部邏輯電路設計實現的主要功能模塊主要有：時序發生器模塊、檢波器模塊、高速計數器模塊、可變門檻控制模塊、回波識別模塊及其他一些輔助性的模塊和功能，如圖所示。時序發生器主要負責及外部所需要的時序信號的精確發生與控制。具體包括：超聲波發射控制信號、接收

8、使能信號、清零信號、抗干擾控制所需要的一系列控制信號等。時序發生器是乃至整個變送器正常工作的基礎。檢波器負責對經電壓比較器比較之后的信號進行高速處理，并對回波到達時刻進行精確捕捉。檢波器有兩個，分別接收雙比較器整形電路之后的信號。高速計數器的主要功能是通過計數的方式檢測渡越時間。在發出超聲波觸發信號的同時，高速計數器被啟動，同時系統進入等待狀態。超聲波信號發出后到達被測界面之后發生反射，回波返回到超聲波傳感器之后，通過電壓比較器和檢波器后，檢波器將給出一個回波到達信號，這個信號被輸入高速計數器，使其停止。由于已知計數器的計數頻率，則只要記錄下計數器從發射到回波到達所計的數值，就可以計算出渡越時

9、間。系統中實際設計實現的高速計數器有兩個，分別對回波到達雙比較器整形電路發生翻轉時間進行計時。可變門信號控制模塊，由于超聲波傳感器為收發一體，為了避免振子余振對接收的影響，設立了兩個門信號控制回波的接收。事實上，對在等待回波到達的過程中，不可避免會有干擾信號的出現，若出現較大干擾，則有可能造成誤觸發。設立了這個門信號之后，由于系統只在門信號有效的范圍之內才進行接收，因此，門信號時間范圍之外的干擾將不對系統造成影響，從而增強了系統抗干擾能力。回波識別模塊，為進一步提高系統抗干擾能力，還在內部設計了一個回波識別功能，接收雙比較器整形電路中的一路輸出信號。由于換能器振子的余振，真實回波持續時間很長，

10、包含周期數也很多，一般要超過，而干擾波至弧、迄菁、沁、”“！口窗帕持亞而同例平。刪線透鏡光感應板圖紅外線測距原理系統硬件設計多傳感器測距系統原理如圖所示。其中溫度采樣電路用來采集環境溫度，以對超聲波聲速進行溫度補償；模塊用來管理路超聲波的發射與接收”，并將所測得的時間傳送給以計算出距離；路紅外傳感器用來測機器人距障礙物較短的距離，由驅動紅外發射，并通過內部集成的位轉換器對接收的信號進行采樣，計算出距離；將所測得距離保存在中，并通過總線傳送給上位機。當移動機器人需要探測其周圍的障礙物時，上位機發送控制命令給處理器，由進行溫度采集、紅外線測距及控制對超聲波的發射與接收。本系統中的處理器為【，芯片為

11、器件。超聲波測距（信號的發射與接收電路）系統采用一收發一體的超聲波傳感器，中心多只有一兩個周期，根據這一點設計了回波自動識別功能，主計算機應用年要思路就是根據回波包含周期數來判別檢測到的是否是真實為比較器的閾值電平；。為第一個回波前沿所對應的傳播回波：如果超過一定數目，則認為是真實回波并進行后續處時間，。為比較器翻轉所對應的時問；：為比較器翻轉時理，否則忽略本次接收。這樣就保證了每次檢測到的都是有對應的時間。將兩比較器翻轉點，連接并延長與橫軸交于口效信號，減小了干擾波的影響。點，很容易求出點所對應的時間。，：為直接測量超聲波信號發射得到的時間，通過幾何分析可以求出點或點到點的時間超聲波信號的發

12、射由輸出的觸發信號驅差。設口段的時間為曲，段的時間為。，則有下式成立：動超聲波驅動電路并進行功率放大，并用放大后的信號去驅動超聲換能器發出超聲波。獸；壘：叫超聲波信號接收超聲波信號發射出去后遇到被測目標將發生反射，待回波返回至超聲換能器之后，超聲換能器的振子將接收到的聲，：警（）、。一由式（）可得口點所對應的時間為：吣一（）、信號重新轉化成微弱的電信號；接收電路負責對這個信號進其中：，為由基準電壓電路提供的比較器參考電壓，為已行濾波、放大、整形，將處理后輸出的信號輸入進行后知量；。，：為測量值。從圖中可以看出以點所對應的時間續處理。接收電路由濾波放大電路和雙比較器整形電路組代表回波前沿時間計算

13、測量距離，要比以，：直接計算成。距離，精度要明顯提高，本系統中兩個比較器的參考電壓為：濾波放大電路。系統中，考慮到超聲換能器輸出阻抗比，。較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。前置放大電路是一個由精密、高速寬帶放大器構成的差動放大回波信號以器，再用高速運放對信號進行濾波放大，再送入雙鐘血么一一一比較器整形電路進行處理。由于采用收發一體傳感器，因而恨時間，收發信號之間會產生干擾，較大的發送信號能量有可能直接進入接收電路，它要比回波大得多，因此前級放大電路會飽圖雙比較器整形電路工作原理和，電路工作不穩定。為此，接收信號放大器的輸入端要接入）進行溫度補償。采用數字溫度傳感器，設置一對互為反向的

14、二極管進行箝位，以保護后面的放大電路。分辨率為，提高溫度對聲速的補償精度。雙比較器整形電路“。經濾波放大后的信號是正弦波信號，將該信號同時接人超高速比較器的兩個比較系統軟件設計器的反相輸入端，而比較器的參考電壓分別為的系統軟件包括主程序、溫度采集子程序、紅外（提供的基準電壓）和線信號采樣子程序、超聲波測距子程序、數據處理與打包子程（提供的基準電壓）。雙比較器整形電路的序、數據通信子程序、讀寫子程序、外部中斷子程序輸出的信號同時輸入進行后續處理。和定時器中斷子程序。此外，的配置由來實紅外線傳感器測距現，硬件連接上將，的、接本系統采用紅外線測距傳感器，其探測范地，同時將、。、圍為，模擬量輸出，且輸

15、出電壓與距離為非線性關分別與的相連。主程序完成初始化系。為了得到距離，需要對傳感器輸出信號進行采樣，和各個子程序的調用，最后把測量結果傳送給。本系統采用內部集成的位轉換器。的主程序流程如圖所示。配置程序至關重要，只有的輸出引腳與接地引腳之間接的電容以濾掉配置成功了，才能進行超聲波測距，配置程序流傳感器輸出中快速變化的尖峰脈沖，再送至）。程如圖所示。進行。當需要測距時，由的口發出持續腳的高電平給供電，然后再進行采樣。提高超聲波測距精度的主要措施系統中分別對超聲波測距以下采取措施，以提高系統測距精度：）采用高速的對超聲波渡越時間進行測量。由于的運行速度很高，因此在回波到達時刻的捕捉及計時上可以達到

16、很高的精度。本系統采用了晶振，計數器為位，理論計時誤差為一個時鐘周期即，比起單純使用單片機的斗級精度，大幅度地提高了計時精度。）采用高速運算放大器和超高速比較器以減小信號傳輸延時。通過高速運算放大器電路放大后的信號同時接入超高速比較器的兩個比較器的反相輸入端。一般超聲圖的主程序流程測距電路是用一個比較器檢測回波信號，閥值固定，當測量距利用公司的進行設計，主要完成離較遠時，由于回波信號弱會引起比較器翻轉延遲，增大測量超聲波觸發信號的產生、檢波、計時、抗干擾邏輯功能。誤差，應用雙比較器整形可以適當減小這種誤差，其工作原理如圖所示。實驗結果與分析在圖中，為峰值電壓；為比較器的閾值電平；為了驗證本文超

17、聲波測距的測量精度的有效性，在實驗月梁毓明等：移動機器人多傳感器測距系統研究與設計室進行了實地測量。將文中的超聲波測距（記為）距離，與未加溫度補償且直接將回波信號進行濾波放大再經過零比較器（元器件不變）后由位單片機進行測距（記為）的結果進行比較，如表所示，表中實測距離是用鋼質卷尺測量得到的。從表中可看出，在量程范圍內，的測量誤差不隨測量距離增大而明顯增大，這與一般采用單比較器、無溫度補償、爐級時間測量精度的超聲波測距量系統有明顯區別；該誤差具有隨機性，實際測量時可通過多次測量取平均值的方法減小誤差。傳感器供電電壓為，表中實際距離是用鋼質卷尺測量得到的。從表中可看出，在量程范圍內，測量誤差變化較

18、大，用其作為精確的距離測量不妥。表紅外線測距傳感器的實驗數據及其測量誤差結語本文設計了移動機器人多傳感器測距系統的硬件電路和相應的軟件，并采用多種措施來提高超聲波測距精度，對其盲區采用紅外線測距傳感器和碰撞開關進行彌補。實驗表明，在近距離測量范圍內，上述超聲波測距方法精度可以達到級，可以滿足機器人避障與定位的實際需要。參考文獻：【】王火亮基于超聲波傳感器的智能吸塵機器人導航系統的研究【】杭州：浙江大學，【】金篆芷，王明時現代傳感器技術【】北京：電子工業出版社，【】圖配置程序流程【】：啉咖【】距離表超聲波測距的實驗數據實測距離距離巾坤亮，王建東，樊瑋虹，等基于芯片的超聲波紅外線測距系統【】微處理

19、機。（）：距離實測距離距離【】陳大新，胡學同，周杏鵬利用改進超聲波測距模塊設計【】傳感器技術，（）：【】微控制器使用指南一【】【一】：，一【】趙海鳴，卜英勇，王紀嬋，等一種高精度超聲波測距系統的研制【】湖南科技大學學報：自然科學版，（）：紅外線測距傳感器的實驗數據如表所示，其中（上接第頁）參考文獻：【】”朗”【】【】許源視頻語義特征提取算法研究【】上海：復旦大學，季春基于內容的視頻檢索中的關鍵幀提取技術【】情報雜志，（）：【】，（）【】【】唐冰，周美玉基于視頻圖像的既有線路地理信息系統【】鐵路計算機應用，（）：【】鰍：，。：【】：，【】【】，：【一，（）：】，【】，【】，【，。：【】，。：（）：【】，【，【】【一】：【】，王煒，一個開放架構的數字視頻【】梅承力，楊景濤，周源華基于空間數據結構的圖像檢索【】上海交通大學學報，（）：管理系統【】【】：移動機器人多傳感器測距系統研究與設計作者：作者單位：梁毓明， 徐立鴻， LIANG Yu-ming， XU Li-hong梁毓明,LIANG Yu-ming(同濟大學,電子與信息工程學院,上海,201804;江西理工大學,機電工程學院,江西,贛州,341000)， 徐立鴻,XU Li-hong(同濟大學,