超聲聚能器預警避障技術研究

東鑫淵

（ 西安思源學院，陜西 西安710000）

如今，預警避障技術在工業(yè)中具有廣泛的應用，使得機械在運行過程中能夠順利躲避障礙物[1]。在預警避障技術中可以利用聲吶、紅外線、羅盤、視覺和超聲波等方式對障礙物進行判斷，其中使用超聲波進行測距避障具有更好的應用效果。超聲波測距系統(tǒng)中主要以單片機作為主控芯片，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]。

文章為了增強預警避礙技術的功能，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，主要從硬件和軟件設計兩個方面進行研究，旨在增強預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警避障技術

2.1 硬件設計

為了增強預警避障技術的使用性能，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 下載線直接將程序寫到片外Flash 中，于是可以實現(xiàn)在線編程調試，所以使用現(xiàn)場可編程門陣列還能夠給系統(tǒng)的設計帶來很多便利。

于是在接下來對預警避障系統(tǒng)的硬件設計中主要從以下四個方面進行分析，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動信號和時鐘進行控制，當信號產(chǎn)生之時，時鐘會開始進行計數(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行檢測和計算，即可顯示輸出結果。

（1）發(fā)射電路

超聲預警避障技術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，來提高預警避障的精度。

（3）預警電路

預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行放大，然后可以驅動蜂鳴器使之發(fā)聲。

圖3 預警電路設計

2.2 軟件設計

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

3 測試結果

將障礙物設置在探頭的1m 和0.5m 處，分別進行五次實驗，如表1 所示的檢測結果，通過將數(shù)碼管顯示結果和實際結果進行比較，發(fā)現(xiàn)預警避障的準確率提高，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行過濾等。該結果和傳統(tǒng)單片機作為控制芯片的超聲預警避障技術相比，精度有了較大的提高。

表1 預警避障技術使用的測試結果

4 結論

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