超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用研究

摘要：隨著科技水平的發展，電動輪椅車的技術水平也比以往更高，很多電動輪椅車上都安裝了超聲波傳感器，波式測距超聲波傳感器是近年來一種流行的超聲波傳感器，目前已經廣泛地應用于測探、測距、醫療、探傷等方面，這種傳感器不會受到顏色的影響，適宜用在電動車輪椅中，應用的安全性、經濟性水平都相對較高，本文主要探討超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用。

關鍵詞：超聲波傳感器 電動輪椅車 應用研究

超聲波傳感器是一種利用超聲波特性研制的傳感器，其振動頻率高于聲波機械波，超聲波是由環能晶片激發而出，具有波長短、頻率高、繞射現象少的特點，尤其是其方向性能極佳，對于固體、液體的穿透力很大，在不透明的固體中也能夠穿透一定的深度，在遇到活動物體時會出現多普勒效應，在遇到分界面和雜質后會出現明顯的反射回波，因此，超聲波傳感器已經廣泛地用在國防、工業以及生物醫學等方面，也取得了十分理想的效果。隨著科技水平的發展，電動輪椅車的技術水平也比以往更高，很多電動輪椅車上都安裝了超聲波傳感器，對于安裝在電動輪椅車上的超聲波傳感器，其檢測的信號必須要收發一體，檢測的范圍不能太小，對人體要無傷害。目前，傳感器的種類很多，在以往，應用在電動輪椅車上的傳感器一般為紅外傳感器、激光式傳感器等等，其檢測距離約為1米左右，成本相對較低，但是在夜晚等光線較差的環境中，必須要有額外光源來輔助，應用起來具有一些局限性。波式測距超聲波傳感器是近年來一種流行的超聲波傳感器，目前已經廣泛的應用于測探、測距、醫療、探傷等方面，這種傳感器不會受到顏色的影響，適宜用在電動車輪椅中，應用的安全性、經濟性水平都相對較高，下面就對波式測距超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用進行深入的探討。

1 超聲波傳感器的測距原理

1.1 超聲波的測距原理

在觸發脈沖時，超聲波傳感器發射出的脈沖波作用到一個反射的物體上，在經過一段反射時間后，反射回來的聲波就會被換能器所接收，經過計算、分析、處理就可以得出障礙物的距離。超聲波從反射器物體表面到轉換器中所有的時間計算方式為：

其中h是換能器距離障礙物之間的距離，c是超聲波的傳播速度，因此，只要明確超聲波的傳輸時間t，便可以計算出其傳輸距離。

1.2 電動輪椅超聲波測距原理

圖1是電動輪椅車超聲波測距原理圖，脈沖信號從微處理器中發出，在脈沖信號發出后，計數器就會開始計數，在遇到障礙物之后，反饋信號會經過接收器而放大，產生脈沖后會傳遞至INTO，繼而中斷，在中斷之后微處理器就會使用距離運算程序來計算出電動輪椅車距離障礙物之間的距離，并將距離顯示在LED屏之中。

2 超聲波測距電路設計方案

圖2 是超聲波測距電路的示意圖，當單片機I/O口P2.3為0時，發射電路會發出超聲波，當P2.3為1時，發射電路就會停止振蕩，并停止發出超聲波。對于障礙物距離的測算，需要使用程序計算法進行，在計算時，需要將數碼管中顯示出的技術值進行記錄，繼而計算出距離障礙物的實際距離。在計算時，需要將顛簸、搖擺和干擾的因素考慮進去，對測量信號進行數字濾波處理，如果在最大檢測距離中，未出現INTO中斷的情況，那么就說明這是由于顛簸、測量等因素帶來的無回波情況，那么就要將本次測量數據忽略，如果連續三次出現這樣的情況，則說明在最大檢測距離中無障礙物，就可以對測量數值進行濾波處理，進而根據綜合測距公式來計算出實際的距離。

距離計算公式為：

x=■Cixn-1；

其中，C0、C1、C2、C3......、Cn-1為常數項。

超聲波測距模塊分為超聲波脈沖產生子程序、距離運算子程序以及超聲波接收中斷服務程序三個模塊，具體的工作流程為，子程序在開始計數之后，會在250μs之內發出10個周期為40kHz的脈沖，發出的脈沖會通過I/O端口，通過I/O端口后會經過驅動電路，探頭會發射出超聲波，超聲波經過障礙物的反射后，會被探頭接受，再進行波形整形，形成矩形，矩形脈沖會觸發單片機外部，再將運算子程序調動起來，最后中斷返回。超聲波脈沖產生子程序、距離運算子程序以及超聲波接收中斷服務程序會保留最近三個數據，在距離測量的次數小于或者等于2時，直接使用公式可以計算出距離障礙物的實際距離。

軟件可以選擇具有ISP功能的單片機，這種單片機不需要仿真器的支持就可以實現數據的下載和調試，這種單片機編程的語言使用C51高級語言和匯編語言，可以有效提升系統的可靠性和實時性。一般超聲波的測距可以分為距離運算子程序、接受中斷服務程序以及超聲波脈沖產生子程序三個模塊。具體的工作程序為，子程序在計時開始后，會在250μs內發出脈沖，進而形成一種矩陣脈沖，該種矩陣脈沖會觸發單片機外部，導致單片機外部中斷。三個測距單元會保留最近三個數據，并直接根據公式得出實際的距離。

3 超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用

超聲波傳感器測量的距離與超聲換能器的頻率有著密切的關系，頻率越低，量程越高，頻率越高，量程越小。電動輪椅車的行駛速度不高，對于障礙物距離的測量要求也不高，只要在量程范圍內可以測量出電動輪椅車距離障礙物之間的距離即可，一般單片機會計算并顯示出電動輪椅車距離障礙物1米時的距離，并根據障礙物的實際情況來降低電動輪椅車的行駛速度。在距離的計算時，會遵循以下的公式：

即v=a×v0，

其中，a為速度系數，a的取值范圍介于0到1之間，具體的數值則由單片機根據實際情況進行自動調整，如果測量距離為0.7m，a的取值為0.5，如果測量的距離為1m，a的取值為0.95，如果測量距離為0.5m時，a的取值為0.3。按照當前的技術手段，單片機處理信號、控制信號的時間需要20ms左右。電動輪椅車的車速介于0到4.5KM/h，最大時速為4.5KM/h，那么根據速度計算方式，電動輪椅車每20ms的時間最多前進的距離為2.5KM，從這一層面而言，電動輪椅車的行駛速度很慢，在20ms的行駛距離也不會對電動輪椅車的行車安全造成影響，在這段時間之內，超聲換能器不會接受回聲，這也是測量的盲區。當電動輪椅車距離障礙物越來越近，直到距離接近500mm時，回波的接受會變得逐漸不規則，這也是回波的接受盲區，為了保證行車安全，在盲區臨界點，單片機就會出現蜂鳴提示信號，這就會保證使用者的安全，這種測距方式具有很高的使用價值。

4 結語

電動輪椅車按照上述的方法來安裝超聲波傳感器，在逐漸靠近障礙物時，電動輪椅車中的超聲波傳感就會發出相應的信號來提示避障，這樣就能夠避免安全事故的發生，達到保護駕駛人員安全的作用，這種測距的方式靈敏度高，精度準確，測量的精度能夠實現厘米，具有較為理想的實用價值。但是，由于各種因素的影響，傳感器的測距還存在一些不足之處，因此，在下一階段，必須要運用好融合技術，進一步完善電動輪椅車的避障功能。

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作者簡介：

徐向美（1983-），女，山東萊陽人，教師，助教，研究方向：電路系統設計與智能化設備。