移動機器人超聲波測距避障系統設計

李恒+徐小力+左云波

摘 要： 測距避障是移動機器人適應未知復雜環境的能力之一，準確測出移動機器人和障礙物之間的距離是關鍵。以dsPIC33FJ256MC710單片機為核心研究設計了一種移動機器人超聲波測距避障系統。該系統利用脈沖回波法測距，針對超聲波在空氣中的傳播速度受環境溫度的影響，設計了超聲波速度溫度補償電路。實驗結果表明該超聲波測距避障系統測量數據準確，能夠滿足移動機器人在復雜環境中避障的需求。

關鍵詞： 移動機器人； 測距避障； 超聲波； 硬件電路

中圖分類號： TN710?34； TP73 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0157?03

Design of obstacle avoidance system with ultrasonic ranging based on mobile robot

LI Heng， XU Xiao?li， ZUO Yun?bo

（Ministry of Education Key Laboratory of Modern Measurement & Control Technology， Beijing Information Science & Technology University，

Beijing 100192， China）

Abstract： Obstacle avoidance with ranging is one of robot′s competencies in adapting to unknown complex environment. It is very important to measure the distance between the robot and the obstacles accurately. An obstacle avoidance system with ultrasonic ranging by mobile robot is designed with dsPIC33FJ256MC710 as the core. The distance between the robot and the obstacles is measured with pulse echo method. Ultrasonic velocity temperature compensation circuit is designed for ultrasonic velocity changes as the ambient temperature. Experimental results show that the system ranging accurately and is able to meet the requirement of obstacle avoidance for mobile robot in complex environments.

Keywords： mobile robot； obstacle avoidance by ranging； ultrasonic； hardware circuit

0 引 言

在某些特種環境，如反恐排爆、災難救援等現場，特種機器人被廣泛地用于代替人類執行信息獲取、搜索救援、環境檢測等工作。作業環境的復雜多變，要求特種機器人有較好的環境適應能力，能夠在未知或者部分未知的環境中通過傳感器獲取周圍環境信息，包括障礙物的尺寸，位置和距離等信息，并使機器人找到一條無碰撞最優路線[1]。移動機器人測距避障的傳感器有很多，如聲吶、視覺、紅外線、超聲波和羅盤等[2]，紅外對障礙物的衍射能力比較差，視覺處理起來比較復雜而且貴，而超聲波不易受干擾，能量消耗緩慢，傳播距離相對較遠，因此在各種測距避障系統中被廣泛使用。

1 超聲波測距避障的基本原理

超聲波是指頻率高于20 kHz的在彈性介質中產生的機械振蕩波[3]。超聲波測距避障的基本原理是通過超聲發射換能器不斷發出聲脈沖，聲波脈沖通過空氣介質傳播，當聲波脈沖遇到障礙物后反射回來被接收換能器接收，根據聲速及時間差計算出障礙物的距離，移動機器人利用左右輪之間的速度差轉向避障。假定[L]為超聲波換能器到障礙物間的距離，超聲波發射與接收的時間差為[T]（單位：s）在空氣中的傳播速度為V（單位：m/s），關系如式（1）：

[L=VT2] （1）

由于聲波在空氣中傳播的速度與溫度有關，在精度要求比較高的情況下需要做溫度補償校正[4]，按式（2）對聲速進行修正。

[V=331.4+0.607T] （2）

式中：[T]為測量時的實際溫度；[V]為超聲波在空氣介質中的傳播速度。

2 系統的總體方案設計

本系統主要由超聲波發射電路、超聲波接收電路、信號轉換電路、測溫電路以及報警電路組成。總體方案圖如圖1所示。超聲波控制系統由美國Microchip公司生產的dsPIC33FJ256MC710單片機控制，該單片機擁有多路PWM脈寬調制模塊、輸入捕捉模塊以及4個32位的定時器。單片機通過PWM產生40 kHz的方波，經過放大后驅動超聲波發射換能器產生40 kHz的超聲波，經過空氣介質傳播，遇到前方障礙物后發射回來，被超聲接收換能器接收后經過信號放大和檢出后變為低電平觸發單片機輸入捕捉模塊產生中斷。通過定時器1可以知道超聲波發射和返回之間的時間間隔[T，]同時通過溫度傳感器DS18B20測出實時溫度，通過式（2）對聲速進行調節補償，利用式（1）可以計算出障礙物的距離。另外本系統還設置了距離預警信號，通過單片機計算出的距離[L]與預設的距離[L0]比較，當[L

圖1 系統總體方案圖

3 系統硬件電路設計

3.1 超聲波發射電路設計

超聲波發射電路主要由三極管P1、三極管N1、變壓器T1和超聲波發射換能器TCT40?16T構成，如圖2所示。圖中，Send?Ctrl、Cut?off端由單片機控制。單片機的I/O口設置為推挽輸出模式，這樣可以保證三極管有足夠的驅動能力和快速通斷性能。變壓器的次級電感與發射器構成諧振回路，提高了發射效率。通過電阻[R6]可以增加諧振回路的損耗加速余波結束。同時[R4、][R5、][P1]也構成了余波抑制電路，由單片機控制，在發射完脈沖后[P1]導通，強制短路變壓器初級線圈，快速消耗掉諧振能量，達到消除余波的目的。電阻[R5]越小效果越好，但是如果控制失靈會導致短路燒壞[P1]或[N1，]所以在電路中設計了一個開關，在軟件調試好之前斷開，避免燒毀三極管。

3.2 超聲波接收電路設計

超聲波接收電路是超聲波測距的核心，主要由美國TI公司的專用聲吶測距芯片TL852和超聲波接收換能器TCT40?16R構成，如圖3所示。TL852可操作頻率范圍為20～90 kHz的超聲波，并且具有數字控制的可變增益和可變帶寬放大器，接口與TTL兼容。作為聲吶接收器BIAS引腳需要接一個電阻為68 kΩ的TL852提供內部偏壓參考。LC引腳與VCC引腳間要并聯一個外部電感和電容以提供一個刻外部控制增益的放大器，不僅可以控制增益以補償信號隨距離的衰減，而且可以最大限度地抑制噪聲。通過向GCA、GCB 、GCC、GCD輸入0.1 μs的同步脈沖調節數字放大器的增益，輸入脈沖必須同步以消除由于無效的邏輯計數而導致的外部錯誤信號。

圖2 超聲波發射電路

圖3 超聲波接收電路

3.3 信號電平轉換電路設計

TL852組成的超聲波接收電路輸出信號不是標準的數字信號，因此需要設計電平轉換電路，如圖4所示。考慮到主控芯片的電源電壓為3.3 V，選擇TI公司的LMV358低電壓滿幅輸出運放轉換電平。LM358額定工作電壓為3～5 V，而且可以同時作為一個電壓跟隨器和一個電壓比較器使用。TL852的輸出電壓信號首先通過U4A進行電壓跟隨，然后輸入U4B的6引腳與5引腳進行比較，當輸入電平高于5引腳的參考電平時，從7引腳輸出低電平，該電平可以作為單片機外部觸發信號產生中斷，實現對回波的計時。圖中二極管D1和D2主要是為比較其提供參考電壓1.2 V。

3.4 測溫電路設計

超聲波傳播速度受溫度的影響比較大，如果不進行補償，測量誤差將會比較大，為了提高整個系統的測量精度，設計了溫度補償電路。該系統采用DALLAS半導體公司生產的DS18B20單線智能溫度傳感器，該傳感器具有體積小，接口方便，測量精度高等特點，而且與單片機連接時僅僅需要一條口線就可以實現雙向通信。DS18B20與傳統的熱敏電阻相比，能夠直接讀出溫度并且可以根據實際要求通過簡單地編程實現9～12位的數字讀取，能夠在很短的時間內完成溫度數字量轉換。讀取溫度后利用公式（2）就可以算出溫度補償后的聲波速度，準確的算出障礙物的距離。

圖4 信號電平轉換電路設計

3.5 報警電路設計

報警電路主要由一個蜂鳴器和一個三極管9012構成，如圖5所示。三極管主要是功率放大驅動蜂鳴器發聲，當實際測量的障礙物距離小于設定的距離時，Buzzer端口輸出低電平，三極管導通，蜂鳴器發出預警信號。

圖5 報警電路的設計

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括主程序模塊、T1定時器計時模塊、外部輸入捕捉模塊、測溫程序模塊、距離計算模塊和報警模塊，具體工作流程圖如圖6所示。編寫系統程序時要考慮硬件的連接，同時還要設置存儲空間、寄存器和外部中斷引腳的使用。Send?Ctrl連接到單片機的RE4引腳，該引腳也是PWM復用引腳，主要用于產生40 MHz的方波脈沖驅動超聲波發射使能器產生超聲波。UltrIN連接到單片機的RD8輸入捕捉復用引腳，用于檢測回波信號產生中斷。

系統初始化之后啟動PWM模塊，連續發送7個40 MHz的脈沖，同時打開定時器T1開始計時。在開啟定時器的同時關閉外部中斷，這樣可以避免折射波的繞射，經過延時1 ms后再打開外部中斷，等待回波。當RD8引腳出現低電平將進入到輸入捕捉中斷子程序。在中斷程序中停止定時器T1計時，把定時器T1的值存儲到相應的存儲器，同時設置回波成功接收標志。當主程序檢測到回波接收標志就調用測溫程序，采集移動機器人所處環境溫度，計算出準確的聲速保存到相應的單元。接著單片機調用距離計算程序計算，計算出障礙物離移動機器人的實際距離。當該實際測得的距離小于預設的距離時，蜂鳴器就會響起報警。移動機器人會根據攝像頭拍到的障礙物方向轉彎，繞過障礙物。

圖6 主程序流程圖

5 實驗結果分析

為了驗證移動機器人的實際避障能力，在實驗室中人為的設置不同的障礙，在不同時刻每個障礙測量5次得到結果見表1。

表1 測距實驗結果 cm

[標準值＼&測量值＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&平均值相對誤差 /%＼&20＼&22＼&19＼&18＼&21＼&23＼&10.3＼&80＼&78＼&81＼&80＼&83＼&79＼&0.25＼&100＼&99＼&101＼&102＼&98＼&99＼&0.2＼&180＼&183＼&188＼&186＼&182＼&179＼&2＼&240＼&238＼&248＼&252＼&246＼&256＼&3.3＼&300＼&330＼&312＼&294＼&334＼&328＼&6.5＼&400＼&453＼&483＼&473＼&458＼&486＼&17.7＼&]

從實驗數據可以知道移動機器人避障測距模塊在40～280 cm范圍內測量相對誤差不超過5%，實際應用中可以滿足應用需求。當測量距離小于20 cm和大于280 cm時測量誤差比較大。這是因為當測量距離太短時，單片機來不及迅速處理測量結果，而且回波誤差大；當測量距離太遠時，回波信號太微弱，混有大量噪音，影響了實際測距。

6 結 論

基于單片機dsPIC33FJ256MC的移動機器人超聲波測距避障系統，結構簡單、性能穩定、操作方便。考慮了環境溫度對測距系統的影響，在硬件和軟件設計上都進行了必要的補償校正，因此在一定的障礙范圍內具有比較高的測量精度，具有一定的實用價值。

參考文獻

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[10] 賈莉娜.高精度的超聲波測距系統在移動機器人導航方面的應用[J].計量與測試技術，2004（9）：23?25.

[標準值＼&測量值＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&平均值相對誤差 /%＼&20＼&22＼&19＼&18＼&21＼&23＼&10.3＼&80＼&78＼&81＼&80＼&83＼&79＼&0.25＼&100＼&99＼&101＼&102＼&98＼&99＼&0.2＼&180＼&183＼&188＼&186＼&182＼&179＼&2＼&240＼&238＼&248＼&252＼&246＼&256＼&3.3＼&300＼&330＼&312＼&294＼&334＼&328＼&6.5＼&400＼&453＼&483＼&473＼&458＼&486＼&17.7＼&]

從實驗數據可以知道移動機器人避障測距模塊在40～280 cm范圍內測量相對誤差不超過5%，實際應用中可以滿足應用需求。當測量距離小于20 cm和大于280 cm時測量誤差比較大。這是因為當測量距離太短時，單片機來不及迅速處理測量結果，而且回波誤差大；當測量距離太遠時，回波信號太微弱，混有大量噪音，影響了實際測距。

6 結 論

基于單片機dsPIC33FJ256MC的移動機器人超聲波測距避障系統，結構簡單、性能穩定、操作方便。考慮了環境溫度對測距系統的影響，在硬件和軟件設計上都進行了必要的補償校正，因此在一定的障礙范圍內具有比較高的測量精度，具有一定的實用價值。

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[標準值＼&測量值＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&平均值相對誤差 /%＼&20＼&22＼&19＼&18＼&21＼&23＼&10.3＼&80＼&78＼&81＼&80＼&83＼&79＼&0.25＼&100＼&99＼&101＼&102＼&98＼&99＼&0.2＼&180＼&183＼&188＼&186＼&182＼&179＼&2＼&240＼&238＼&248＼&252＼&246＼&256＼&3.3＼&300＼&330＼&312＼&294＼&334＼&328＼&6.5＼&400＼&453＼&483＼&473＼&458＼&486＼&17.7＼&]

從實驗數據可以知道移動機器人避障測距模塊在40～280 cm范圍內測量相對誤差不超過5%，實際應用中可以滿足應用需求。當測量距離小于20 cm和大于280 cm時測量誤差比較大。這是因為當測量距離太短時，單片機來不及迅速處理測量結果，而且回波誤差大；當測量距離太遠時，回波信號太微弱，混有大量噪音，影響了實際測距。

6 結 論

基于單片機dsPIC33FJ256MC的移動機器人超聲波測距避障系統，結構簡單、性能穩定、操作方便。考慮了環境溫度對測距系統的影響，在硬件和軟件設計上都進行了必要的補償校正，因此在一定的障礙范圍內具有比較高的測量精度，具有一定的實用價值。

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