超聲波測距 - 用于距離的測量
由于超聲波指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量,如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求,因此在移動機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
引言
為了使移動機(jī)器人能自動避障行走,就必須裝備測距系統(tǒng),以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測距系統(tǒng),就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動距離信息。
原理
1、超聲波發(fā)生器
為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器??傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。
2、壓電式超聲波發(fā)生器原理
壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電晶片作振動,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時(shí)它就成為超聲波接收器了。
3、超聲波測距原理
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 - s,即:s=340t/2。這就是所謂的時(shí)間差測距法。
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間,根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。
測距的公式表示為:L=C×T
式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時(shí)間差 - T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半。
超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量,雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米,但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn),是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度,但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因,提高測量時(shí)間差到微秒級,以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后,我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
根據(jù)超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。
時(shí)間誤差
當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí),假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s - 20℃室溫,忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t< - 0.001/344≈0.000002907s 即2.907μs。
在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下,測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級,就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度,因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響,空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快,而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。
已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下:
式中:r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為1.40,
R—?dú)怏w普適常量,8.314kg·mol-1·K-1,
M—?dú)怏w分子量,空氣為28.8×10-3kg·mol-1,
T—絕對溫度,273K+T℃。
近似公式為:C=C0+0.607×T℃
式中:C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s;
T為實(shí)際溫度 - ℃。
對于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時(shí),就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m,測量1m誤差將達(dá)到5cm。
電路設(shè)計(jì)
三、超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí),單片機(jī)選用8751,經(jīng)濟(jì)易用,且片內(nèi)有4K的ROM,便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖,左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同,故省略之。
1、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射
測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器,它的工作電壓是40kHz的脈沖信號,這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。
前方測距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口,單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后,在P1.0端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號,經(jīng)過三極管T放大,驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T,發(fā)出40kHz的脈沖超聲波,且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口,工作原理與前方測距電路相同。
2、超聲波的接收與處理
接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?,?jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567,內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上,則LM567輸入信號大于25mV,輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?,作為中斷請求信號,送至單片機(jī)處理。
前方測距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口,同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端,中斷源的識別由程序查詢來處理,中斷優(yōu)先級為先右后左。
