基于超聲波測距的跟隨小車設(shè)計

王欣++徐智++陶鳳++袁春緯

摘要：設(shè)計是以AT89C52單片機為主控制器，然后再結(jié)合超聲波測距的原理，實現(xiàn)智能小車的實時跟隨控制。超聲波的發(fā)射模塊由單片機來控制時序，然后往四周發(fā)散從而尋找需要定位的節(jié)點并且會通過超聲波信號與射頻信號間的時間差計算發(fā)射點與需要定位節(jié)點間的距離。為了提高系統(tǒng)的精確度，還設(shè)計了溫度補償電路。智能小車是以AT89C52單片機為核心，通過無線通信來接收超聲波測距系統(tǒng)發(fā)送來的控制信號實現(xiàn)跟隨。

關(guān)鍵詞：超聲波；測距；小車設(shè)計；測量技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）17-0246-02

近幾年電子測量技術(shù)逐步發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠成功地運用超聲波來精確測量距離。超聲波測距不會受到被測量對象以及所在空間的光線影響。超聲波檢測還可以對各類液體裝置的位置距離和里面的材料位置高度進行比較，從而設(shè)定它們之間的距離差值并且直接顯示。因此，在現(xiàn)如今科技飛速發(fā)展的時代，我們可以把超聲波測距系統(tǒng)更廣泛具體的用在汽車的行駛與防撞上?；诖朔矫?，設(shè)計在超聲波測距的基礎(chǔ)上加了跟隨小車。

1系統(tǒng)原理及硬件介紹

系統(tǒng)實現(xiàn)了基于AT89C52單片機的小車智能跟隨功能。為此，設(shè)計了超聲波測距模塊、定位模塊以及無線電通信實時控制跟隨。這套系統(tǒng)采用硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計相結(jié)合的方式，具有模塊化和多用化等特點。除此之外，用超聲波檢測更容易實現(xiàn)同步及時的控制，因為它方便又迅速并且計算起來還簡單，所以其能夠達(dá)到工業(yè)實用對測量精準(zhǔn)度的要求。

1.1系統(tǒng)原理

在智能小車上裝兩個超聲波發(fā)射探頭，人身上再帶著一個接收探頭。通過測距算法算出距離。當(dāng)超過一定距離時，小車收到報警跟上人的步伐前進，實現(xiàn)跟隨。

超聲波測距工作流程框圖如下圖1所示：

1.2硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要有超聲波數(shù)據(jù)采集模塊、小車驅(qū)動模塊、主控器和報警模塊組成。系統(tǒng)硬件部分的整體框圖2如下所示：

小車的運動控制由電機驅(qū)動模塊以及單片機最小系統(tǒng)組成。智能小車以AT89C52為核心，經(jīng)過焊接相關(guān)芯片然后用電路板自制而成。它通過無線通信接收測距系統(tǒng)發(fā)送來的控制信號，再輸出信號到L293D，從而驅(qū)動直流電機控制其行駛。小車驅(qū)動電路采用的是基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式（PWM）的集成電路L298N，它的內(nèi)部有兩個高電壓、大電流橋式驅(qū)動器。

系統(tǒng)采用的是HC-SR04超聲波測距模塊。該模塊可以提供2cm-400cm的非接觸式的距離感測功能，測距精確度可以達(dá)到3mm【1】。HC-SR04超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

超聲波發(fā)射模塊原理圖如下圖3：

超聲波接收模塊輸出信號原理圖如下圖4：

測距系統(tǒng)是采用IO口TRIG觸發(fā)來檢測距離。給至少10us的高電平信號輸入，然后該模塊會自動發(fā)送8個40kHz的方波，并且會自動檢測是否有信號返回。若有信號返回，那么會通過IO口ECHO輸出一個高電平，則高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。則測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2。【2】

2主要技術(shù)

2.1超聲波測距技術(shù)

超聲波在空氣中的傳播速度大約是340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，便可計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。

上式中：H表示超聲波兩個探頭之間中心距離的二分之一。

而超聲波的傳播距離為：

上式中：v表示超聲波在空氣中的傳播速度；

t表示超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。

把式（2）、（3）代入式（1）中便可以得到：

中，超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)，如果當(dāng)被測量的距離L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于H時，則（4）變?yōu)椋?/p>

因此，只要測量出超聲波的傳播時間t，就可以計算出所要測量的距離L【3】。

為了保證測量距離的準(zhǔn)確度，需要設(shè)計一個溫度補償電路?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可以表示為【4】：

v=331.4×

式中，T為環(huán)境攝氏溫度℃。

該溫度補償電路系統(tǒng)采用了National Semiconductor所產(chǎn)生的溫度感測器LM35。其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，即0℃時輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。

2.2定位技術(shù)

定位節(jié)點由超聲波模塊、無線通信模塊、微處理器模塊、電源模塊部分組成。超聲波發(fā)射器通過單片機控制時序，然后向四周擴散信號來搜索需要定位的節(jié)點。超聲波發(fā)射的射頻信號的傳輸時間是可以忽略不計的，因為它的速率比超聲波的速率要高很多。所以如果同時發(fā)送射頻信號和超聲波信號的話，需要定位的節(jié)點會先收到發(fā)送來的射頻信號然后九年開啟超聲波的接收模塊并同時啟動定時器，再之后接收模塊接收到超聲波的同時停止定時器。由此，超聲波發(fā)射器再通過測量超聲波與射頻信號之間所用的時間差，從而來計算發(fā)射點與需要定位的節(jié)點之間距離。

2.3跟隨技術(shù)

通過超聲波測距原理，再加上三角形定理，在智能小車上裝兩個超聲波發(fā)射探頭，人身上再帶著一個接收探頭。根據(jù)測距算法算出距離，當(dāng)超過一定距離時，小車收到報警跟上人的步伐前進，實現(xiàn)跟隨。

3系統(tǒng)測試與誤差分析

3.1系統(tǒng)測試

設(shè)計主要是基于超聲波測距來實現(xiàn)智能小車的跟隨，所以可以觀察不斷改變?nèi)伺c小車的距離時小車反應(yīng)所需要的時間。實驗在20℃環(huán)境下進行，實驗結(jié)果如下表所示：

3.2誤差分析

3.2.1誤差來源

引起小車不同距離下響應(yīng)的時間不同的原因有很多，一般有以下三種主要的誤差來源：

（1）超聲波信號在傳播的過程中會減弱；

（2）從收到聲波到被檢測出會存在一定滯后；

（3）啟動計時和啟動超聲波發(fā)射之間存在一定的偏差。

3.2.2減少誤差措施

針對出現(xiàn)的第一個問題，所采用的解決辦法是用TL852電路進行聲波檢測。因為它可以變增益，利用單片機來根據(jù)時間去控制聲波信號。至于第二個問題，可以采用設(shè)置多個探頭的辦法。關(guān)于啟動計時和啟動超聲波發(fā)射之間存在偏差的問題，則可以用無線電作為反饋信號【5】。

4 結(jié)論

介紹了超聲波測距原理及小車跟隨原理，運用超聲波傳感器及無線通信實現(xiàn)了小車同步跟隨。通過實驗可見，小車反應(yīng)靈敏，能與人保持約5米之內(nèi)的距離同步跟隨。設(shè)計的創(chuàng)新之處與所取得的主要成果是：具有多用化的特點。設(shè)計中的超聲波測距模塊能夠應(yīng)用于機器人的距離信息采集、汽車防撞測距等眾多方面。因此具有很大的移植應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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