越野自主車的遠距離超聲測障系統

崔慧海，李焱，周歆

（1.國防科技大學機電與自動化學院，湖南長沙410073；2.寧波電業局計量中心浙江寧波315040）

在地面自主車輛（ALV）的研究中，障礙檢測傳感器是ALV導航與控制系統的重要組成部分。目前，在自主車上使用的測障傳感器主要有激光雷達、CCD雙目視覺、超聲波傳感器，以及紅外傳感器。相比其它類型的傳感器，超聲測障傳感器具有價格低廉、可以全天候工作，以及不受光照、電磁、煙霧和粉塵等因素的干擾等優點。自主車輛在野外環境行駛過程中，要求測障傳感器具備探測10～20 m范圍的能力，然而現有車載超聲傳感器一般作用距離只有幾米，而且波束角較大、空間分辨率低，難以滿足遠距離測障的要求。因此，研制遠距離超聲測障系統，對于提高自主車在野外環境的環境感知能力具有重要的意義。國內在面向地面自主車輛的遠距離超聲測障傳感器的研究方面雖然已取得了初步的成果[1-3]，但還沒有形成能與自主車控制系統集成的超聲測障系統。

筆者設計并實現了由超聲傳感器陣列構成的遠距離超聲測障系統，重點對該系統中的遠距離超聲傳感器設計、基于車載CAN總線的通信模塊設計及上位機軟件進行介紹。

1 遠距離超聲傳感器設計

1.1 超聲換能器

本系統中使用的超聲換能器由縱向振動換能器、半波長錐形變幅桿和矩形彎曲振動盤組成，工作頻率為23 kHz。

選用高指向性的超聲傳感器雖然提高了空間分辨率，但卻不能覆蓋車輛前方整個路面，探測范圍較小。為解決上述問題，需將超聲傳感器組成陣列，在提高空間分辨率的同時提高探測覆蓋率。

1.2 時變增益電路

超聲測障傳感器設計的關鍵技術之一是超聲波回波接收電路，接收電路既要將遠距離微弱的回波信號充分放大，又要減少死區距離、避免振蕩和降低噪聲。隨著探測距離變長，超聲波回波信號快速衰減，相同障礙物對應的回波信號幅值會形成顯著的差異。為克服固定增益放大電路在遠距離超聲測障應用中面臨的困難，該系統基于TL026控制芯片，設計并實現了遠距離超聲傳感器的時變增益控制電路。

野外環境實驗數據表明，超聲測障傳感器的探測距離達到20 m，波束角為±7°。

該系統遠距離超聲傳感器的時變增益電路采用TL026作為超聲的初級輸入，由飛利浦公司的單片機P89LPC915調節增益控制電壓如圖1所示。P89LPC915包含1個8位、4路逐步逼近式模數轉換模塊（ADC1）和1個DAC模塊（DAC1），在3.3 MHz的ADC時鐘下，8位轉換時間≥3.9 μs。單片機在2次探測周期之間對TL026的REF腳進行采樣，確定增益控制基準電壓，避免了由于溫度變化造成基準電壓的漂移。

圖1 時變增益控制電路Fig.1 Time varying gain control circuit

如果直接使用D/A輸出控制AGC腳電壓，雖然該方法控制起來比較簡單，但由于階躍信號含有各種頻譜，D/A輸出的微小跳變引起的輸出的跳變在后級的信號放大器中被放大，而且無法通過帶通濾波器消除，這增加了后續處理電路的難度和誤報率。筆者采用如下方法來解決上述問題：1）死區期間，單片機輸出VDA，向C20迅速充電，使VC=VREF+200 mV，使增益接近于0，以衰減死區信號；2）死區結束時，VDA降為0 V，這時，電容通過R39和TL026的AGC腳放電；3）接收周期結束時，電容兩端電壓降為VC=VREF-200 mV達到最大增益。

2 通信模塊設計

2.1 通信硬件電路設計

筆者采用高集成度微控制器與CAN控制器構造超聲測障系統的通信模塊硬件電路。每個超聲傳感器由微控制器89LPC915負責指令的解析、數據回傳及發射控制；由CAN控制器MCP2515負責CAN通信數據的發送與接收。通信模塊硬件框圖和電路圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 通信模塊結構框圖Fig.2 Structure diagram of communication module

圖3 通信模塊硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of communication module

其中，89LPC915是Philips公司生產的高集成度、低成本微控制器。MCP2515是MICRCHIP公司生產的帶SPI（Serial Peripheral Interface）接口的獨立CAN控制器。本系統中89LPC915作為主設備，提供SPI串行時鐘，負責向MCP2515寫入控制命令和待發送數據，MCP2515作為從設備，負責向89LPC915發送狀態改變中斷和接收到的數據。

2.2 通信軟件設計

傳感器與上位機的通信協議如表1、表2所示。

表1 傳感器接收指令表Tab.1 Receiving instruction of sensor

表2 傳感器發送指令表Tab.2 Sending instruction of sensor

傳感器發送的數據每組為3個字節，用來記錄渡越時間和回波大小。MCU根據接收到的回波數量動態地決定每幀發送1組還是2組數據。CAN通信參數設置為：波特率設置為500 K，只接收標準標報文。11位標準標識符的高8位用于傳感器編號，3-11位分別對應1-8號超聲傳感器，這樣上位機只要將標識符位置位，對應的傳感器就能接收到指令，使上位機只要一條指令就能對多個傳感器進行控制。程序整體框圖如圖4所示。

圖4 系統流程圖Fig.4 Work flow chart of system

上位機監測程序采用LabVIEW圖形化編程語言編寫。本系統通過調用動態鏈接庫實現對CAN總線的控制和讀寫。CAN總線的設置程序如圖5所示。

圖5 LabVIEW程序框圖Fig.5 Program block diagram of LabVIEW

3 實驗結果

在野外環境下，我們對遠距離超聲傳感器的時變增益電路的性能進行了測試。

實驗結果表明，增加時變增益電路后（圖6（b）），相比固定增益（圖6（a）），近距離的超聲回波信號幅度沒有什么變化時，遠距離的回波信號幅度和探測距離顯著增加。未增加死區衰減（圖6（c））時近距離的超聲回波信號被超聲頭余振信號覆蓋，死區距離較大，增加死區衰減和時變增益（圖6（d））后，死區距離明顯減少。圖7為由3個超聲傳感器組成陣列的上位控制軟件界面，其左側為傳感器獲得的回波信號，右下方為陣列控制界面，右上方為通過算法獲得的障礙物位置。

圖6 超聲回波信號Fig.6 Sonar data signal

圖7 超聲測障系統界面Fig.7 Sonar obstacle detection systeminterface

4 結束語

遠距離超聲測障系統實現了基于自主車控制系統CAN總線的遠距離超聲傳感器陣列的控制和數據采集，具有較寬的探測范圍與較高的測距精度，該超聲測障系統對于提高越野環境下自主車的環境感知能力和可靠性具有重要作用。

[1] 潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

[2] 吳立珍.ALV超聲測障技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

[3] 廖一.基于超聲的障礙檢測與識別技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2007.

[4] 曾祥進，王敏，黃心漢.自動增益電路在超聲波測距系統中的應用研究[J].測控技術，2005，24（7）:69-71.ZHENG Xiang-jin，WANG Min，HUANG Xin-han.Application&research of auto-gain circuit in ultrasonic place measurement system[J].Measurement&Control Technology，2005，24（7）:69-71.

[5] 時德鋼，劉曄，王峰，等.超聲波測距儀的研究[J].計算機測量與控制，2002，10（7）:480-482.SHI De-gang，LIU Ye，WANG Feng，et al.Research of the ultrasonic distance-measure instrument[J].Computer Measurement&Control，2002，10（7）:480-482.

[6] 秦金華，劉小方，高成強，等.基于AD603的超聲微弱信號檢測研究[J].兵工自動化，2007，26（11）：68-59.QIN Jin-hua，LIU Xiao-fang，GAO Cheng-qiang，et al.Research on detecting faint signal of ultrasonic based on AD603[J].Ordnance Industry Automation，2007，26（11）：68-59.

[7] 李茂柵.超聲波測距原理及實踐技術[J].實用測試技術，1994，3（1）：12-20.LI Mao-san.The theory and practical technique of ultrasound range finding[J].Practical Measurement Techology，1994，3（1）：12-20.