壓路機(jī)主動(dòng)防撞智能測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳步童，李勝永，朱志忠，侍俊光，呂承琪

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，江蘇 南通 226010）

壓路機(jī)是修建交通基礎(chǔ)設(shè)施的壓實(shí)機(jī)械，在周期性連續(xù)作業(yè)過(guò)程中，傷人和碰撞事故頻發(fā)。因此，加強(qiáng)其主動(dòng)安全性的智能化研究，優(yōu)化智能測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。超聲波測(cè)距具有方向性好、抗光磁干擾能力強(qiáng)、不受空間能見(jiàn)度的影響等特點(diǎn)，可用于壓路機(jī)智能測(cè)距系統(tǒng)。為了將壓路機(jī)碾壓作業(yè)時(shí)位于車體前后方所有目標(biāo)障礙物探測(cè)到，可在壓路機(jī)車體的前后方不同位置并列安裝多個(gè)超聲波傳感器，通過(guò)在RS485總線上掛載多個(gè)超聲波測(cè)距從站，每個(gè)從站作為1個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，每個(gè)從站中含有多個(gè)超聲波傳感器。從站采集的多路信息匯總后經(jīng)RS485總線傳輸?shù)街虚g控制板進(jìn)行實(shí)時(shí)處理后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給壓路機(jī)的中央控制系統(tǒng)，中間控制板作為中央控制系統(tǒng)和下層從站的中間節(jié)點(diǎn)，對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，可有效節(jié)省中央控制系統(tǒng)的中央處理器資源，簡(jiǎn)化中央控制系統(tǒng)的硬軟件。

1 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的最常見(jiàn)方法是渡越時(shí)間法，由超聲波發(fā)射傳感器在控制模塊的作用下向外發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后反射產(chǎn)生回波，超聲波接收傳感器接收反射回波，并將回波信號(hào)送回控制模塊，控制模塊通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射與接收之間的時(shí)間差Δt（渡越時(shí)間）和超聲波在空氣中的傳播速度，計(jì)算出目標(biāo)障礙物的最近距離s和方位（s=c*Δt/2，c為超聲波聲速，受溫度影響較大，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度和聲速的關(guān)系為c=331.45+0.607t，一般取344m/s），并由顯示電路顯示障礙物最近距離和方位。［1］

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由中間控制板、超聲波測(cè)距從站、其他RS485總線節(jié)點(diǎn)等組成，如圖1所示，圖中超聲波測(cè)距從站包含多路傳感器，其他RS485總線節(jié)點(diǎn)包含溫度補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊、電源電路模塊等。［2］中間控制板通過(guò)RS485總線與超聲波測(cè)距從站連接，超聲波測(cè)距從站通過(guò)安裝于壓路機(jī)車體前后橫梁側(cè)面的多路超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量壓路機(jī)前后方目標(biāo)障礙物的最近距離和方位信息，中間控制板按照設(shè)定的時(shí)間間隔獲取各從站信息，經(jīng)匯集處理后向中央控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)采用STC15W1K16S單片機(jī)作為中間控制板、超聲波從站及溫度補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊、電源電路模塊等部分的控制和處理核心，有效保證了數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 測(cè)距精度影響因素及模型建立

2.1 測(cè)距精度影響因素

2.1.1 渡越時(shí)間

渡越時(shí)間Δt是影響目標(biāo)障礙物最近距離s和方位的重要因素，除采用速度較快控制器、運(yùn)行電路、增大接收回路放大倍數(shù)等硬件外，還應(yīng)考慮軟件執(zhí)行時(shí)間消耗誤差、激勵(lì)信號(hào)序列收發(fā)啟停計(jì)時(shí)間隔差、測(cè)距盲區(qū)計(jì)時(shí)間隔差等因素的影響。本系統(tǒng)軟件以匯編語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，每1條程序指令有精確的執(zhí)行時(shí)間，通過(guò)引入補(bǔ)償時(shí)間實(shí)現(xiàn)必備指令占用冗余時(shí)間的精確補(bǔ)償，以消除軟件執(zhí)行產(chǎn)生的時(shí)間誤差；采用序列信號(hào)激勵(lì)發(fā)射探頭，從序列中最后1個(gè)波發(fā)出時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)（t1），序列中第1個(gè)反射回波被接收停止計(jì)時(shí)（t2）；由于超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波一段時(shí)間后超聲波接收探頭才能接收超聲波，使超聲波傳感器產(chǎn)生測(cè)距盲區(qū)時(shí)間間隔t3；最終測(cè)得的較為精確的渡越時(shí)間為Δt=t2-t1+t3+nT1-td，其中T1為信號(hào)序列波周期，n為信號(hào)序列波周期數(shù)，td為程序指令執(zhí)行的冗余時(shí)間。［3］［4］

2.1.2 傳播速度

超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等因素影響，其中環(huán)境溫度的變化對(duì)其影響最大。為此，需要對(duì)空氣平均摩爾質(zhì)量和比熱比值進(jìn)行修正其中Pw為水蒸氣壓力；P為大氣壓力，P=1.013×105Pa；T0為0℃熱力學(xué)溫度；Ti為環(huán)境溫度，c0為0℃時(shí)超聲波在空氣中的傳播速度，c0=331.45m/s。）；通過(guò)在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中加入溫度補(bǔ)償模塊，減小系統(tǒng)超聲波波速值變化，使系統(tǒng)在各種環(huán)境溫度下實(shí)時(shí)精確測(cè)得超聲波在空氣中傳播速度，提高超聲波波速測(cè)量精度。

2.1.3 接收脈沖

超聲波傳感器采用電壓閾值法檢測(cè)回波，其原理是設(shè)置1個(gè)閾值電壓，與接收的超聲波回波信號(hào)電壓值進(jìn)行比較，如果超聲波回波信號(hào)中電壓達(dá)到閾值設(shè)定的電壓，則認(rèn)為回波返回了。實(shí)際上超聲波在傳播過(guò)程中幅值是不斷衰減的，如果設(shè)置固定閾值電壓，當(dāng)測(cè)距距離較近時(shí)，也許第1個(gè)回波脈沖到達(dá)時(shí)就可以被捕獲，誤差較?。划?dāng)測(cè)距距離較遠(yuǎn)時(shí)，可能在第4個(gè)或更靠后的回波脈沖才被捕獲，這樣就造成回波聲波傳輸了一定的時(shí)間后才會(huì)被捕獲到，產(chǎn)生較大誤差。［5］［6］

2.1.4 探頭安裝位置及角度

為防止超聲波傳感器的發(fā)射、接收探頭產(chǎn)生比鄰信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象，超聲波的發(fā)射、接收探頭安裝時(shí)存在一定的間隔距離，探頭與系統(tǒng)目標(biāo)障礙物的準(zhǔn)確垂直距離L、超聲波的往返傳播距離半程D、超聲波的發(fā)射、接收探頭安裝中心距d之間存在的幾何關(guān)系為。［3］由于超聲波入射到物體處存在一定的入射角，并經(jīng)過(guò)多次反射才返回被接收探頭接收，使測(cè)量的距離比探頭與物體的實(shí)際距離稍大，造成測(cè)量誤差。

2.2 測(cè)距計(jì)算模型

依據(jù)上述分析，以相關(guān)測(cè)距精度影響因素為輸入變量，建立的基于壓電式收發(fā)分離型多路超聲傳感器的壓路機(jī)防撞智能測(cè)距系統(tǒng)計(jì)算模型為：

模型中相關(guān)測(cè)距精度影響因素輸入變量包括最終渡越時(shí)間Δti、超聲波在空氣中的精確實(shí)時(shí)傳播速度c、超聲波探頭安裝位置參數(shù)d、重復(fù)測(cè)量次數(shù)N等。由于測(cè)量誤差具有一定的隨機(jī)性，因此，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)通過(guò)多次測(cè)量后取其平均值，以減少測(cè)量誤差。

3 硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 中間控制板設(shè)計(jì)

中間控制板位于中央控制系統(tǒng)與從站之間，接收中央控制系統(tǒng)的命令并向中央控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)；通過(guò)RS485總線向掛接在總線上的各超聲波測(cè)距從站及其他總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，并接收RS485總線上掛接的各超聲波測(cè)距從站及其他總線節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，硬件中包含RS485模塊和與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行通信的模塊。本系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，中間控制板通過(guò)串口進(jìn)行協(xié)議通信，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。中間控制板為多節(jié)點(diǎn)信息匯總的主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)掛載從節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距回路的增減。

圖2 中間控制板硬件結(jié)構(gòu)

3.1.2 從站設(shè)計(jì)

前后2個(gè)測(cè)距從站分別包含4組超聲波測(cè)距回路，每組超聲波測(cè)距回路包含超聲波探頭、超聲波收發(fā)電路、雙四通道模擬多路復(fù)用/分解器4052、超聲波回波放大濾波電路、溫度補(bǔ)償電路、液晶顯示電路、電源電路、STC15W1K16S單片機(jī)及MAX485等組成，其中溫度補(bǔ)償電路的環(huán)境溫度采用DS18B20檢測(cè)，液晶顯示電路選用LCD12864液晶顯示器進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容顯示。每組測(cè)距回路分別擁有回波的一級(jí)濾波放大電路和STC15W1K16S單片機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)I/O口，共享STC15W1K16S單片機(jī)控制內(nèi)核和MAX485通信模塊。超聲波測(cè)距從站硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。該從站以STC15W1K16S單片機(jī)為控制核心，協(xié)調(diào)各電路的工作，4組超聲波測(cè)距回路并行執(zhí)行，STC15W1K16S單片機(jī)同時(shí)在4組回路的I/O口發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)MAX232和外圍輔助電路組成的振蕩回路向外發(fā)出4個(gè)頻率為40 kHz的脈沖，并同時(shí)選中4052通道，進(jìn)入發(fā)射電路激勵(lì)傳感器向外發(fā)出超聲波，超聲波在空氣中傳播遇到目標(biāo)障礙物后產(chǎn)生反射回波，反射回波進(jìn)入接收電路經(jīng)信號(hào)處理后進(jìn)入4052，經(jīng)放大濾波電路后進(jìn)入STC15W1K16S單片機(jī)的ADC通道，經(jīng)軟件計(jì)算獲得與目標(biāo)障礙物的最近距離和方位，并保存測(cè)得最近距離和方位的傳感器所在通路，經(jīng)MAX485以RS485通信協(xié)議向中間控制板發(fā)送目標(biāo)障礙物的最近距離與方位信息。

圖3 超聲波測(cè)距從站硬件結(jié)構(gòu)

（1）超聲波收發(fā)電路

STC15W1K16S單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)入4052通道，通過(guò)MAX232和外圍輔助電路組成的振蕩回路向外發(fā)出4個(gè)40kHz的超聲波，超聲波在空氣中傳播，遇到目標(biāo)障礙物后產(chǎn)生反射回波并返回，超聲波傳感器接收反射回波經(jīng)TL074進(jìn)行信號(hào)放大處理后進(jìn)入4052相應(yīng)的通道。設(shè)計(jì)的超聲波收發(fā)電路如圖4所示。

（2）超聲波放大濾波電路

由于經(jīng)過(guò)超聲波接收電路處理后的回波信號(hào)較弱且存在干擾，所以回波信號(hào)須經(jīng)高通濾波電路和帶通濾波電路進(jìn)行兩級(jí)處理，消除大部分干擾，并將信號(hào)放大，最終經(jīng)分壓電路進(jìn)入STC15W1K16S單片機(jī)的ADC模塊。當(dāng)ADC模塊檢測(cè)到的電壓值大于設(shè)定的閾值時(shí)，則判斷為回波并計(jì)時(shí)得到時(shí)間，測(cè)得目標(biāo)障礙物的最近距離和方位。具體設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 中間控制板軟件設(shè)計(jì)

中間控制板接收中央控制系統(tǒng)命令，并向其發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)；利用RS485總線向各超聲波測(cè)距從站及其他總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，接收各超聲波測(cè)距從站實(shí)時(shí)測(cè)得的目標(biāo)障礙物最近距離與方位信息及其他總線節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，首先初始化設(shè)置，經(jīng)MAX485向第1從站發(fā)送訪問(wèn)命令，若中間控制板收到從站數(shù)據(jù)，則處理并保存接收數(shù)據(jù)；若第1從站未響應(yīng)，則再次發(fā)送命令，直至中間控制板收到從站數(shù)據(jù)，處理并保存所接收數(shù)據(jù)為止；當(dāng)所有從站訪問(wèn)結(jié)束后，等待中央控制系統(tǒng)的命令，當(dāng)中間控制板收到中央控制系統(tǒng)命令后則向其發(fā)送最終處理的數(shù)據(jù)，中間控制板流程圖如圖6所示。中間控制板的接收數(shù)據(jù)命令是通過(guò)串口中斷子程序完成的。

圖4 超聲波發(fā)射電路和接收電路

圖5 超聲波放大濾波電路

圖6 中間控制板流程

圖7 從站軟件運(yùn)行流程

3.2.2 從站軟件設(shè)計(jì)

前后超聲波測(cè)距從站是實(shí)現(xiàn)前后4路超聲波傳感器測(cè)距，接收中間控制板的命令，并向中間控制板發(fā)送超聲波傳感器測(cè)得的目標(biāo)障礙物的最近距離和方位信息。前后超聲波測(cè)距從站都有確定的地址，當(dāng)中間控制板向前后超聲波測(cè)距從站發(fā)出命令時(shí)，地址匹配的從站向中間控制板發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)從站軟件包括主程序、子程序、定時(shí)中斷程序等，其中主程序是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，并打開(kāi)定時(shí)中斷，定時(shí)中斷在延時(shí)1.2ms后調(diào)用回波處理子程序，判斷回波并計(jì)算探頭至目標(biāo)障礙物的最近距離和方位；當(dāng)接收到中間控制板的命令且地址匹配時(shí)，則通過(guò)RS485總線向中間控制板發(fā)送實(shí)時(shí)精確數(shù)據(jù)，否則，本次循環(huán)結(jié)束；子程序是實(shí)現(xiàn)計(jì)算距離、顯示、計(jì)時(shí)、延時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸、溫度監(jiān)控等功能；定時(shí)中斷程序是完成前、后從站的4路中某一超聲波測(cè)距回路的選擇和激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)回波處理、定時(shí)發(fā)射超聲波、計(jì)時(shí)器溢出、異常等功能；超聲波從站軟件運(yùn)行流程如圖7所示。

4 通信協(xié)議及差錯(cuò)控制

系統(tǒng)以中間控制板為主站，前、后超聲波測(cè)距回路以及其他RS485總線節(jié)點(diǎn)為從站，主從站之間的通信采用RS485協(xié)議。每次通信由主站向從站發(fā)送地址和指令，從站以中斷方式接收數(shù)據(jù)，當(dāng)某個(gè)從站的地址與主站匹配時(shí)，從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。前、后超聲波測(cè)距從站發(fā)送的數(shù)據(jù)分別包括前后4組探頭測(cè)得的目標(biāo)障礙物的最近距離值（mm）和方位，且每個(gè)探頭測(cè)得的目標(biāo)障礙物最近距離均用兩字節(jié)表示，需進(jìn)行差錯(cuò)控制，以保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。為此，主站在向前、后超聲波測(cè)距從站發(fā)送問(wèn)詢命令時(shí)加入起始、結(jié)束標(biāo)記，且標(biāo)記不與從站應(yīng)答中的數(shù)據(jù)相同，避免其他從站將數(shù)據(jù)中的某一部分誤判為主站的問(wèn)詢命令；在從站發(fā)送的目標(biāo)障礙物最近距離值和方位數(shù)據(jù)中加入校驗(yàn)碼，避免主站接收距離值和方位數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤；主站向某一從站問(wèn)詢，且未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到從站應(yīng)答，則認(rèn)為問(wèn)詢失敗，并重新問(wèn)詢，若3次問(wèn)詢失敗，則記錄失敗次數(shù)，并問(wèn)詢下一從站。為防止主站第二次問(wèn)詢時(shí)收到從站第一次問(wèn)詢應(yīng)答，在主站發(fā)送問(wèn)詢命令、從站發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)時(shí)加入問(wèn)詢次數(shù)，僅當(dāng)主從站問(wèn)詢次數(shù)匹配時(shí)，本次通信才成功。［7］［8］

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 超聲波探頭布局

超聲波探頭波速角通常在30°左右，多組同時(shí)工作時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生干擾，為此在每個(gè)超聲波探頭上增加一個(gè)號(hào)角以增強(qiáng)指向性，其測(cè)距范圍類似圖8（a），在其近端和遠(yuǎn)端會(huì)產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)，使所測(cè)距離不可靠，為此，將超聲波探頭以間隔布局的方式安裝在壓路機(jī)前后橫梁的側(cè)面，使相鄰兩組探頭的測(cè)距范圍重合一部分，且遠(yuǎn)端極限距離隨探頭布局間隔的變化而變化。設(shè)計(jì)得到的相鄰兩組超聲波探頭最優(yōu)間隔距離為40cm，近端極限距離為30cm，遠(yuǎn)端極限距離為120cm，效果如圖8（b）所示。

圖8 超聲波探頭布局

5.2 試驗(yàn)及效果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的壓路機(jī)主動(dòng)防撞智能測(cè)距系統(tǒng)的效果，使壓路機(jī)車體前后的所有目標(biāo)障礙物都能夠被探測(cè)到，并做到無(wú)盲區(qū)，以戴納派克CC522型鋼輪壓路機(jī)為載體，在其車架的前后橫梁側(cè)面分別安裝了4組超聲波探頭，前、后超聲波測(cè)距從站分別包含4組回路，通過(guò)前后2個(gè)RS485總線從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)這一功能。設(shè)壓路機(jī)的碾壓作業(yè)時(shí)的速度為v，在探頭的測(cè)量周期T2內(nèi)，壓路機(jī)不進(jìn)入近端盲區(qū)極限距離d1區(qū)域，系統(tǒng)的實(shí)際近端盲區(qū)極限值為D1=d1+vT2。壓路機(jī)碾壓作業(yè)最高速度為0.9m/s，T2為200ms，則實(shí)際盲區(qū)為48cm，保證在大于近端極限距離小于遠(yuǎn)端極限距離區(qū)域的目標(biāo)障礙物被探測(cè)到。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的壓路機(jī)主動(dòng)防撞智能測(cè)試系統(tǒng)的可靠性及測(cè)量誤差，選取超聲波探頭到實(shí)驗(yàn)壁之間的水平距離為設(shè)定距離，由鋼卷尺測(cè)量測(cè)得；液晶顯示屏上顯示的距離為測(cè)量距離，系統(tǒng)水平測(cè)距驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示，最大相對(duì)誤差為1.3333%，能夠滿足水平方向目標(biāo)障礙物的檢測(cè)；當(dāng)水平探頭安裝在離地大約60cm左右的高度時(shí)，可探測(cè)到40cm～80cm高度的目標(biāo)障礙物。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)選取40cm左右高的石墩，超聲波傳感器安裝在離地60cm處，約在1.5m處可以檢測(cè)到； 對(duì)一定高度的人約在1.5m處可以穩(wěn)定檢測(cè)到；對(duì)細(xì)鐵桿、鐵柵欄約在1.2m處可以被檢測(cè)出來(lái)。同時(shí)，將建立的模型輸入測(cè)試系統(tǒng)中，并確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)分辨率在cm級(jí)，選取量程為30～400cm，以驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性。測(cè)試的結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在確定的量程內(nèi)，滿量程測(cè)距相對(duì)誤差僅為0.5%，確保了系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性。

表1 系統(tǒng)水平測(cè)距數(shù)據(jù)

表2 模型測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于RS485總線及多路超聲傳感技術(shù)組建的壓路機(jī)主動(dòng)防撞智能測(cè)距系統(tǒng)，利用RS485總線與中間控制板組網(wǎng)，采用高速單片機(jī)STC15W1K16S微處理器，使用RS485多從站布局，在分析了測(cè)距精度影響因素的基礎(chǔ)上，建立了測(cè)距系統(tǒng)的計(jì)算模型，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)，主從站間采用了485通信協(xié)議并進(jìn)行差錯(cuò)控制；通過(guò)將收發(fā)分離式超聲波探頭以間隔布局的方式安裝在壓路機(jī)前后橫梁的側(cè)面，使相鄰兩組探頭的測(cè)距范圍重合一部分，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)水平測(cè)距最大相對(duì)誤差僅為1.3333%，模型滿量程測(cè)距相對(duì)誤差僅為0.5%，確保了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性，使壓路機(jī)在碾壓作業(yè)時(shí)具備了自我保護(hù)和人身安全保護(hù)功能，可有效防止壓路機(jī)碰撞和傷人事故的發(fā)生。該設(shè)計(jì)已在有關(guān)施工企業(yè)的壓路機(jī)上試用，整體效果較好。