超聲聚能器預(yù)警避障技術(shù)研究

東鑫淵

（ 西安思源學(xué)院，陜西 西安710000）

如今，預(yù)警避障技術(shù)在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，使得機(jī)械在運行過程中能夠順利躲避障礙物[1]。在預(yù)警避障技術(shù)中可以利用聲吶、紅外線、羅盤、視覺和超聲波等方式對障礙物進(jìn)行判斷，其中使用超聲波進(jìn)行測距避障具有更好的應(yīng)用效果。超聲波測距系統(tǒng)中主要以單片機(jī)作為主控芯片，雖然這種方式有利于節(jié)約系統(tǒng)的成本，但是單片機(jī)在運行過程中會存在比較大的延時誤差，所以其測距精確度和可靠度會降低[2]。

文章為了增強(qiáng)預(yù)警避礙技術(shù)的功能，在超聲波測距系統(tǒng)中使用現(xiàn)場可編程門陣列代替單片機(jī)，主要從硬件和軟件設(shè)計兩個方面進(jìn)行研究，旨在增強(qiáng)預(yù)警避障的精確度和可靠性。

1 超聲避障原理

超聲避障原理主要是利用超聲波進(jìn)行測距，超聲波在空氣中的傳播速度已知，并且該速度大致上不會發(fā)生變化，所以只需要測得超聲波發(fā)出和接收的時間，即可計算出距離。

超聲波測距可以分為兩種，分別為直接測距和間接測距[3]。直接測距方式的原理是超聲波發(fā)射端發(fā)出超聲波之后，另外一個接收端會接受到超聲波信號，從發(fā)射超聲波開始計，測得接收到聲波時間，根據(jù)超聲波速度就可以測量出距離。間接測距方式的原理是超聲波的發(fā)射端和接收端在同一位置，當(dāng)超聲波發(fā)射出去之后，會遇到障礙物，超聲波會反射回來后被接收到，測量出發(fā)出超聲波到接收超聲波所用的時間，根據(jù)超聲波速度就可以測量出距離。

2 基于超聲波測距的預(yù)警避障技術(shù)

2.1 硬件設(shè)計

為了增強(qiáng)預(yù)警避障技術(shù)的使用性能，在其中所使用的超聲波測距中使用現(xiàn)場可編程門陣列作為主控。由于現(xiàn)場可編程門陣列能夠通過JTAG 下載線直接將程序?qū)懙狡釬lash 中，于是可以實現(xiàn)在線編程調(diào)試，所以使用現(xiàn)場可編程門陣列還能夠給系統(tǒng)的設(shè)計帶來很多便利。

于是在接下來對預(yù)警避障系統(tǒng)的硬件設(shè)計中主要從以下四個方面進(jìn)行分析，分別為超聲波發(fā)射方面、超聲波接收方面、顯示方面和報警電路方面。

現(xiàn)場可編程門陣列對超聲波驅(qū)動信號和時鐘進(jìn)行控制，當(dāng)信號產(chǎn)生之時，時鐘會開始進(jìn)行計數(shù)，然后超聲波會被檢測障礙物發(fā)射回來，發(fā)射回來的超聲波信號在外界傳播過程中會受到各種因素的影響，然后超聲波接收模塊會對超聲波進(jìn)行過濾然后放大，最后現(xiàn)場可編程門陣列會對回來的超聲波信號進(jìn)行檢測和計算，即可顯示輸出結(jié)果。

（1）發(fā)射電路

超聲預(yù)警避障技術(shù)中的放大電路使用的是三極管8050，如圖1 所示。

圖1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計

（2）接收電路

由于超聲波接收電路中回波信號較微弱，為了能夠準(zhǔn)確接收到超聲波，將回波信號放大到大致3.3V，且為方波。圖2 為接收電路，其中兩極放大電路為NE5532 低噪運算放大器，來提高預(yù)警避障的精度。

（3）預(yù)警電路

預(yù)警電路的作用是使系統(tǒng)發(fā)出提醒避免接觸到障礙物。系統(tǒng)設(shè)計一個蜂鳴器和三極管，如圖3 所示。三極管的作用在于將功率進(jìn)行放大，然后可以驅(qū)動蜂鳴器使之發(fā)聲。

圖3 預(yù)警電路設(shè)計

2.2 軟件設(shè)計

由于現(xiàn)場可編程門陣列中每個進(jìn)程都是并行執(zhí)行，而且屬于每個相互獨立的模塊，所以軟件程序設(shè)計將不同模塊由上至下獨立設(shè)計，對每個獨立的模塊進(jìn)行仿真驗證和編譯。

3 測試結(jié)果

將障礙物設(shè)置在探頭的1m 和0.5m 處，分別進(jìn)行五次實驗，如表1 所示的檢測結(jié)果，通過將數(shù)碼管顯示結(jié)果和實際結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)預(yù)警避障的準(zhǔn)確率提高，但還存在一定誤差，主要因為傳播時會受到各種因素影響，超聲波接收器沒有完全的對超聲波進(jìn)行過濾等。該結(jié)果和傳統(tǒng)單片機(jī)作為控制芯片的超聲預(yù)警避障技術(shù)相比，精度有了較大的提高。

表1 預(yù)警避障技術(shù)使用的測試結(jié)果

4 結(jié)論

超聲聚能器預(yù)警避障技術(shù)在使用現(xiàn)場可編程門陣列替代單片機(jī)，可以提高預(yù)警避障的測量精度和及時性。文章從軟硬件兩個技術(shù)方面進(jìn)行研究，保證系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度要求，且該技術(shù)可以廣泛用于工程避障，自動導(dǎo)航和安全預(yù)警等各領(lǐng)域中。