安全避障是移動機(jī)器人研究的一個基本問題。障礙物與機(jī)器人之間距離的獲得是研究安全避障的前提，超聲波傳感器以其信息處理簡單、價格低廉、硬件容易實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器。本超聲波測距系統(tǒng)選用了SensComp公司生產(chǎn)的Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和600系列傳感器，微處理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。

1、 超聲波傳感器及其測距原理

    超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)[1]的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。

    超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）[2]。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即

 
1、 硬件電路設(shè)計
    我們設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)由Polaroid 600系列傳感器、Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和AT89C51單片機(jī)構(gòu)成。

2.1 Polaroid 600系列傳感器

    此超聲波傳感器是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個電容器，當(dāng)給薄片加上頻率為49.4kHz、電壓為300VAC pk-pk的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產(chǎn)生頻率為49.4kHz的超聲波。當(dāng)接收回波時，Polaroid 6500內(nèi)有一個調(diào)諧電路，使得只有頻率接近49.4kHz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。

Polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角[3]，如圖1所示：

 
    超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時間為D，則在D時間內(nèi)從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。

2.2 Polaroid 6500系列超聲波距離模塊

Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬件電路如圖2所示：

 
    TL851是一個經(jīng)濟(jì)的數(shù)字12步測距控制集成電路。內(nèi)部有一個420KHz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在發(fā)送的前16個周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4KHz的超聲波信號，然后通過三極管Q1和變壓器T1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機(jī)定時用。TL852是專門為接收超聲波而設(shè)計的芯片。因為返回的超聲波信號比較微弱，需要進(jìn)行放大才能被單片機(jī)接收，TL852主要提供了放大電路，當(dāng)TL852接收到4個脈沖信號時，就通過REC給TL851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。
 
2.3 AT89C51單片機(jī)

    本系統(tǒng)采用AT89C51來實現(xiàn)對Polaroid 600系列傳感器和Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機(jī)通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：

 
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：

 
    工作時，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r表明信號已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。

4、實驗數(shù)據(jù)處理

    由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應(yīng)的實際值：

表1超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位：cm

 
    從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值總是比實際值大出大約7cm，經(jīng)過分析原因主要有三個方面：第一方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運行需占用一定的時間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號的干擾，單片機(jī)開始計數(shù)時，驅(qū)動電路發(fā)送16個脈沖串。對于單個回聲的方式，當(dāng)驅(qū)動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數(shù)，所以最終測得的時間比實際距離所對應(yīng)的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差，我們采用最小二乘法[4~5]對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過擬合，我們得到下面的方程：
y=1.0145x-9.3354 （其中：y為實際值，x為測量值）

    修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應(yīng)關(guān)系如表2所示：

表2 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位：cm

 
從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出，系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內(nèi)，滿足我們的測量要求。
5、結(jié)論

    利用超聲波傳感器進(jìn)行測距，其中主要的就是要保證在電路設(shè)計上一定要滿足電路工作的可靠性、穩(wěn)定性。經(jīng)過實驗與分析，我們認(rèn)為用6500系列距離模塊和600系列超聲波傳感器進(jìn)行距離的測量簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，測得數(shù)據(jù)的誤差比較小。