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用于移动机器人避障的超声波测距系统 　　(内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特010051) 　　摘要：文章介绍了一种用于移动机器人避障的超声波测距系统，具体设计了基于单片机控制的8路超声波测距系统的软件和硬件，并阐述了该系统的构成和工作原理。 　　关键词：移动机器人；超声波传感器；测距；单片机 　　中图分类号：TP274＋.53文献标识码：A文章编号：1007—6921(XX)16—0122—03 　　为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其感知障碍物的存在并及时获取距障碍物的距离信息。 　　超声波是指频率在20KHz以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播地较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，同时超声波传感器具有硬件实现简单，性价比高等优点，因而被广泛地应用到移动机器人的感知系统中。 1超声波测距 1.1超声波发生器 　　为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波拓性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 1.2压电式超声波发生器原理 　　740)this.width=740border=undefined 　　压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 1.3超声波测距原理 　　超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据接收与发射之间所需要的时间以及声速，就可确定机器人到目标的距离。距离与时间、声速的关系表示为D=CT/2，式中D为机器人与被测物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度，在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为C为常数，取C=340m/s，T为超声波发射到超声波返回的时间间隔，此法测距主要是测量时间T。 2超声波测距系统的硬件设计 　　本超声测距系统共有8对超声波传感器，分布在机器人前方、左方和右方，分别辨识正前方、左前方、右前方、左方和右方的障碍物信息。在硬件设计上，采用上、下位机结构，下位机主要完成测距数据的采集处理，上位机则根据下位机采集的距离等数据完成复杂的避障算法。下位机采用AT89C51单片机对8路超声信号进行循环采集，并将数据送到数据缓冲区存储，同时还把所采集的距离数据及时传给上位机。上位机采用PC机，一旦下位机有数据发送就立即启动中断接收子程序接收。上位机与下位机通过RS—232串行口相连。该测距系统结构框图如图2所示，测距系统主要由超声波发送、接收、时间计测、单片机控制等部分组成。 　　740)this.width=740border=undefined 2.1超声波发送电路 　　超声波发送电路由多谐振荡器LM555、功率放大器、多路选择开关CD4097B及超声波发射传感器等环节组成。经分析可知，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，图3即为单独一路的40KHz超声波发送电路。其工作原理如下： 　　740)this.width=740border=undefined 　　单片机通过软件编程首先初始化端口P1，使引脚P1.4为低电平，发送给LM555的置零输入端，使其振荡器的输出被置为低电平，不受其他输入端状态的影响。当要发送超声波信号时，其单片机通过软件控制P1.4引脚输出高电平则使LM555振荡器的置零输入端为高电平，振荡器输出40KHz的方波，经过功率放大，经多路选择开关CD4097B按序传送到选通通道的超声波发生传感器，开始发射超声波。通过软件控制经过一段延时以后即可以使P1.4引脚输出低电平，则使振荡器输出端输出零，关闭超声波的发送。一般发射超声波时间为125～200微秒，即5～8个40KHz的方波。 　　脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有八路测距通道，采用分时工作，按顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测物的话，则应在后一路超声波束发出之前接收到前一路发出的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以