超聲波傳感器在農業環境中的應用

0超聲波傳感器的應用超聲傳感器是從接口噪聲轉換為聲音信號，或從外部噪聲場中的聲音信號轉換為信號能量轉換裝置，并根據超聲波傳播時間獲取距離信息。超聲波被廣泛應用于測量物體的距離、厚度、液位等領域。在國內外研究中和應用中,超聲波傳感器多用于移動機器人的避障,對環境精確探測的研究甚少。在農業領域中,采用超聲波傳感器測距受到許多因素影響,測距的結果和實際往往有較大差距。農業中廣泛采用視覺傳感和超聲波傳感器采集外界信息,如拖拉機倒車時的測障或監控,噴藥機的果樹外形檢測等。視覺傳感器信息大,需要大量數據處理,一方面需要高性能的處理器,還需要合理的算法,不然無法滿足實際需求。相對于視覺傳感,超聲波傳感器采集信息速度快,在不需要大量外界信息的條件下,擁有成本低、體積小、結構簡單等無法比擬的優點。由于農業環境的復雜性,實際工作中的被測物體超聲波傳感器的測距很難達到標定的精度,而超聲波傳感器測量的準確度和快速反應將直接影響到系統的良好運行,需要對超聲波傳感器測距展開系統的實驗和研究。1嵌入式控制系統實驗平臺主要由精密滑臺、步進電機、步進電機控制器、超聲波傳感器、支架、嵌入式控制系統,以及上位機等構成,系統結構示意圖如圖1。精密滑臺作為運動部分,它的滑塊可沿著導軌移動。在實驗中把支架的下端固定在滑臺的滑塊上,上端用來固定傳感器,傳感器就可以隨著沿導軌移動。支架的上端可以調節傳感器的高度,以避開傳感器測量的盲區。控制系統通過驅動器控制步進電機,從而控制滑臺的動作。步進電機驅動器采用MMT—472,通過面板右側的撥動開關可以調節驅動信號的細分,從而精確地控制步進電機平穩可靠的運行。平臺使用了美國Honeywell三種不同型號的超聲波傳感器:946—A4V—2D—2C0—175E,波束角為5°,傳感器測量范圍為200～2000mm;943—F4Y—2D—1D0—180E,波束角為8°,傳感器測量范圍為200～2000mm,941—C2V—2E—1C0,波束角為10°,傳感器測量范圍為200～1500mm。5°與8°的傳感器既可以輸出電壓信號,也可以輸出電流信號,10°的傳感器輸出模擬電壓信號。嵌入式控制系統主要采用單片機開發,其主要功能是接受上位機子令,控制滑臺的運動,采集超聲波傳感器信息并上傳信息。系統軟件主要由兩部分組成:一是運動控制部分,控制系統根據用戶指定的步長,計算采樣點的距離,發出對應動作的指令,輸出相應的脈沖,并記錄脈沖數,以確定傳感器的位置;二是數據采集部分,控制滑塊達到設定的采樣點,經過一定的延時后,控制器產生數據采集中斷,進入中斷后,數據采集單元采集來自傳感器的數據,然后將該采樣點的位置信息和該點采集的數據一起上傳給計算機。控制滑臺的運動和停止以及數據的記錄功能等都在控制計算機上完成,采用C#編寫上位機軟件,實施監測和控制滑臺的運動以及狀態,并實時顯示傳感器所處的位置,并將傳感器采集的數據實時顯示,并保存到數據庫。2超聲波傳感器實驗2.1超聲波傳感器測試結果本實驗選取5個參考點做校準,先測出這5個參考點與傳感器之間的實際距離,再通過實驗平臺讀出超聲波反映的距離數值。對于波束角為5°的超聲波傳感器,實際測量距離為[200016301270918550]mm,超聲波實驗平臺感知的數字量為[1110948785624462];對波束角為8°的超聲波傳感器,實際距離和反應數據分別為[203016201200800402]mm和[1115953787625460];對波束角為10°的超聲波傳感器,兩組數據分別為[17801372956537128]mm和[1123965802637474]。將數據進行擬合,可以得到三條擬合曲線,也是實驗數據的對應轉換線,如圖2所示。后續實驗測得的數據以此為基準線,每次實驗測得的數字量經過換算,就可以得到超聲波傳感器測得的距離值。2.2測量實驗和數據處理本實驗采用木板構造斜面,木板長117cm,寬21cm,厚2cm。木板的一側采用活頁與地板相連,該側相對于導軌的位置固定不變,但整個木板可以繞該點上下旋轉,木板的另一側可以使用墊片依次抬高在該點的高度,從而改變斜面的坡度。控制系統通過驅動器可以隨時控制步進電機的啟動、停止以及正反轉,通過控制脈沖的頻率來控制運行速度。步進電機驅動器設定驅動電流2.0A,設定細分數為1/16,使得控制精度為0.2mm,可以十分精確地帶動傳感器到達采樣點的位置。在實驗中,考慮到超聲波傳感器的波束角效應,超聲波傳感器發出的一束超聲波,呈現一個面,而不是一個點,沒有必要設定過密的采樣點。設定采樣點的間距為5cm,一共400個采樣點,滑臺運行有效區間為2m,對斜面的有效的檢測范圍在1.5m以內。在每次實驗之前,先調節木板呈現一個角度,然后調節超聲波傳感器的位置,使得超聲波發射頭沿著鉛垂線方向。在測好角度和調節好傳感器之后,打開控制系統,進行超聲波測量實驗。通過上位機發送指令,控制系統控制步進電機運轉從而控制滑塊的移動,傳感器也從斜面的這一端運動到另一端,每運行5cm采集一次距離信息。這樣在掃描了整個斜面后,得到該實際角度下超聲波傳感器所測得的一組數據,每組實驗測量10次,并將所得的數據上傳到計算機,保存在新建的數據庫中。在后續實驗中將波束角為5°的超聲波傳感器更換8°和12°的傳感器,每次實驗根據5°的超聲波傳感器的實驗,保證每組實驗角度與前面的一致,重復前面的實驗步驟。2.3超聲波傳感器測量原理與超聲波斜面檢測實驗類似,所不同的是將橫截面半徑不一樣的圓柱體置于超聲波傳感器下測量,并調節了步進電機控制器的細分,使控制步進電機的精度更高,降低了傳感器的運動速度,使得運行更加平穩。3實驗數據分析和處理3.1超聲波傳感器檢測首先算出實驗中10個數據的平均值,再算出各個數據與平均值的偏差,找到與平均值偏差最大的,舍去該數據,如式(1)再算出剩余數據平均值,重復上述過程,如式(2)這樣就能舍掉偏差較大的若干點,從而取出最接近的的幾個點,取其平均值作為該點超聲波傳感器測得的數據。將400個點處理完后,以此勾勒出該組實驗條件的一條測量曲線。由于在運動過程中,特別是啟動和停止的時間段內,超聲波傳感器會有明顯的震動,這樣造成了數據上的一些跳變,在曲線上表現為導數的突變,這樣會影響數據的測量精度,這些點就需要除去。這里采用牛頓插值替代這些被去掉的點。這樣,經過數據處理后,使用Matlab重新進行曲線擬合,圖3為波束角為8°的超聲波傳感器對斜面的檢測圖。在檢測弧形面的實驗中,使用了波束角分別為5°,8°兩種傳感器。考慮到圓柱體表面的變化,超聲波可能存在的鏡面反射和在各面之間的多次反射,實驗過程中降低了滑臺移動的速度,并增加了實驗次數,數據的處理類似,最后擬合了曲線,如圖4。3.2超聲波傳感器檢測斜面的測量超聲波傳感器首先發射一組聲波脈沖信號,內部積分器就開始計時,同時傳感器會設定一個返回信號閾值,這樣可以在接收到達到閾值的回波信號后停止計時。這個閾值隨著時間的增加而減小,因為回波會隨著距離的變大而發散,強度越來越小。超聲波在碰到檢測面后,會有不同的反射波,甚至多次反射波。當傳感器與檢測面呈一定角度(非垂直)時,如果從最近點反射回來的波達到此時的信號閾值,傳感器測量的就是傳感器與最近點之間距離,那么測量的距離就會小于實際距離。如果反射波的強度達不到此時的信號閾值,反射波不會被傳感器接收,超聲波傳感器不會停止計時,這樣會使測量的數據大于實際距離。當被測面的角度達到一定的度數,大部分的反射波無法被傳感器所接收。傳感器有時能接收回波,感知一定的距離;有時接收不到,感知最遠距離(傳感器的最大量程),在曲線上表現為劇烈的振動,超聲波傳感器已經無法準確地感知實際距離,用測得的數據無法形成一個斜面。如圖3所示,波束角5°的超聲波傳感器在距離斜面尚有100mm時,超聲波傳感器會預先感知坡度的來臨,如圖3所示,在水平位置約為420mm的位置,超聲波檢測出這里是斜面與水平面的拐點,而實際上538mm處才是拐點。超聲波傳感器在過了斜面的最高點后,傳感器并不是馬上感知出其與底面的距離,而是在經過約120mm后才感知出與水平面的實際高度。實驗中不斷增加斜面的坡度,隨著坡度慢慢增大,超聲波傳感器測得的數據已經無法感知出測得的斜面,超聲波傳感器可以有效測量的最大角度為傳感器檢測斜面的臨界角。表1為實驗測得的不同類型傳感器可以檢測斜面的臨界角。在同一超聲波傳感器下,選取的木板的中間任意10個點的點做誤差分析。選用波束角為8°的傳感器的實驗數據,以X坐標為1200mm的采樣點為分析對象,作表2。實際距離是超聲波傳感器發射頭沿地球引力方向到斜面的距離,最近距離是該點垂直于斜面方向的最近距離。誤差1是傳感器測量值與實際距離的偏差,誤差2是傳感器測量值與最近距離偏差。由表2可知,同一超聲波傳感器與被測平面呈不同的角度時,超聲波傳感器隨著被測面的角度的增大,誤差也越來越大。傳感器的感知距離的距離普遍偏小,沿鉛垂方向的實際距離與傳感器的感知距離之間的偏差比較大,且斜面呈現的角度越大,偏差越大,而與最近的距離的偏差比較小,且對斜面的角度的變化敏感。可以用最近距離加以誤差補償,獲得相對精確的數字量。根據傳感器的測量的數據,取出斜坡段的數據,擬合出最佳曲線,求得曲線的斜率,再利用斜率求出角度。選取了在斜面呈現2°,4.5°和7.6°時,將不同傳感器之間作對比,如表3。由表3可知,波束角較小的傳感器其誤差也較小,波束角為5°的傳感器所感知的斜面角度與實際最為接近。當斜面的角度較小時,所有的傳感器的誤差均較小,隨著角度的增大,誤差有明顯增大的趨勢。超聲波傳感器在校準后,測量過程中的誤差,只能通過軟件補償。對斜面的測量中,誤差補償可以取誤差最小的點,統一補償以固