發(fā)布時(shí)間：2022-03-12 02:04:04
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的超聲波傳感器樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：超聲波傳感器；移動(dòng)機(jī)器人；最近點(diǎn)；探測(cè)系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TPl8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1004―373X(2008)04―156―03
移動(dòng)機(jī)器人要獲得自主行為，其最重要的任務(wù)之一是獲取關(guān)于環(huán)境的知識(shí)。這是用不同的傳感器測(cè)量并從那些測(cè)量中提取有意義的信息而實(shí)現(xiàn)的。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在移動(dòng)機(jī)器人中得到實(shí)際應(yīng)用。超聲波傳感器以其性價(jià)比高、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)機(jī)器人感知系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是超，聲波傳感器也存在一定的局限性，主要是因?yàn)椴ㄊ谴?、方向性差、測(cè)距的不穩(wěn)定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多個(gè)超聲波傳感器或采用其他傳感器來(lái)補(bǔ)償。為了彌補(bǔ)超聲波傳感器本身的不足，又能提高其獲取環(huán)境信息的能力，本文設(shè)計(jì)由一體式超聲波傳感器與步進(jìn)電機(jī)組成的探測(cè)系統(tǒng)。
1 超聲波傳感器的探測(cè)原理及方法分析
超聲波傳感器的基本原理是發(fā)送(超聲)壓力波包，并測(cè)量該波包發(fā)射和回到接收器所占用的時(shí)間。
L＝c×t/2
(1)
其中，L為目標(biāo)距超聲波傳感器的距離；c為超聲波波速(為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，本文以下討論的測(cè)量距離時(shí)不考慮波速受溫度的影響)；t為發(fā)射到接收的時(shí)間間隔。
由于用超聲波測(cè)量距離并不是一個(gè)點(diǎn)測(cè)量。超聲波傳感器具有一定的擴(kuò)散特性，發(fā)射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側(cè)呈波浪型衰減，左右約30°的擴(kuò)散角。事實(shí)上，式(1)計(jì)算度越時(shí)間的方式是基于超聲波成功、垂直的反射名義下進(jìn)行的。但對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人很難保證其自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定性，采用超聲波傳感器固定在移動(dòng)機(jī)器人車身的探測(cè)方式，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人偏離平行墻面時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)往往很難得到實(shí)際的距離。另外，超聲波這種發(fā)散特性在應(yīng)用于測(cè)量障礙物的時(shí)候，只能提供目標(biāo)障礙物的距離信息，而不能提供目標(biāo)的方向和邊界信息。這些缺陷都大大限制了超聲波傳感器的實(shí)際應(yīng)用和推廣。
本文在通過理論的分析和不斷地試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用四相步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)單個(gè)一體式超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)的方式，組成一個(gè)動(dòng)態(tài)的感測(cè)系統(tǒng)。
2 一體式超聲波傳感器與步進(jìn)電機(jī)組成的探測(cè)系統(tǒng)
2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
實(shí)物照片如圖1所示，超聲波傳感器焊在PCB板上，板子通過鋼管樹起，鋼管另一端和步進(jìn)電機(jī)軸相連，步進(jìn)電機(jī)固定在機(jī)器人底盤下方。傳感器控制信號(hào)與輸出信號(hào)通過信號(hào)線和車身上的控制板相連。另外在超聲波傳感器的探頭前加一泡沫材料制成的圓臺(tái)形套筒，上口直徑為22 mm，下口直徑為16 mm，高20 mm。這樣發(fā)射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。為了機(jī)器人自我調(diào)整姿態(tài)，需要確定其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和基準(zhǔn)位置。因而自制一片由直射式紅外光電傳感器和轉(zhuǎn)盤組成的簡(jiǎn)易光電編碼器。2個(gè)直射式紅外光電傳感器分布如圖2中2個(gè)Ⅰ，Ⅱ所示以180°間隔水平安置在機(jī)器人小車車身兩側(cè)邊的中點(diǎn)連接線上。轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)臂連接在同心圓上，如圖中外圓所示，1，3刻線間相隔27°；2，1刻線相隔180°，其中1刻線與超聲波傳感器的中心保持在同一水平線上。Ⅰ單獨(dú)導(dǎo)通作為基準(zhǔn)坐標(biāo)，Ⅰ，Ⅱ同時(shí)導(dǎo)通用來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)方向，Ⅱ單通作為機(jī)器人沿墻回歸時(shí)的導(dǎo)航基準(zhǔn)。
通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一體式超聲波傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳感器中軸垂直于機(jī)器人車體的方向作為其自身姿態(tài)調(diào)整的坐標(biāo)基準(zhǔn)，步進(jìn)電機(jī)采用4相4拍步距角為1.8°，每轉(zhuǎn)1步，超聲波傳感器檢測(cè)1次，將測(cè)量值通過串口送上位機(jī)。
2.2探測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
探測(cè)系統(tǒng)硬件主要由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收電路，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速模塊等組成。如圖3所示，系統(tǒng)的核心為單片機(jī)89S51，主要完成信號(hào)的發(fā)射和接收、控制步進(jìn)電機(jī)、并傳送數(shù)據(jù)給機(jī)器人上位機(jī)進(jìn)行處理。
超聲波的發(fā)射電路采用單片機(jī)ATM89$51的P11口輸出發(fā)射脈沖，由74HC04作為驅(qū)動(dòng)來(lái)連接超聲波傳感器，74HC04是為了增強(qiáng)其輸出電流的能力，提高超聲波傳感器的發(fā)射距離。
超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106。CX20106為紅外接收專用集成電路，在此利用CX20106作為超聲波傳感器接收信號(hào)的放大檢波裝置，亦取得良好的效果。CX20106中前置放大器接收到超聲波接收探頭的反射信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，電壓增益約80 dB。然后將信號(hào)送到限幅放大器，使其變?yōu)榫匦蚊}沖，再由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，由檢波器濾掉載頻檢出指令信號(hào)，再經(jīng)過整形后，由7腳輸出低電平。7腳輸出的脈沖下降沿通過單片機(jī)INT0口輸入。如圖4所示。
一體式超聲波傳感器發(fā)射電路與接收電路都用相同的傳感器引腳輸入／輸出，如不將輸入／輸出隔離開，接收電路與發(fā)射電路會(huì)相互影響，采用CMOS雙向模擬開關(guān)CD4066BE實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收的隔離。步進(jìn)電機(jī)控制模塊，采用環(huán)形脈沖分配器1297+雙H橋功率集成電路L298的控制方式。單片機(jī)的P1.6，P1.7，P2.3分別接L297的CW，clock，enable控制端，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘信號(hào)、啟停。
2.3探測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
探測(cè)系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊、傳感器發(fā)射接收模塊組成。這里主要對(duì)探測(cè)系統(tǒng)主程序模塊加以說(shuō)明。主程序流程圖如圖5所示。
超聲波傳感器和步進(jìn)電機(jī)測(cè)控模塊分屬不同的單片機(jī)控制，因此感測(cè)系統(tǒng)與移動(dòng)機(jī)器人的上位機(jī)必須依靠單片機(jī)間的I／O口線及串行異步通訊實(shí)現(xiàn)。標(biāo)志位T是用來(lái)切換動(dòng)作，T=O，OFF=0同時(shí)滿足時(shí)，是超聲波傳感器尋常的探測(cè)過程；T=1，OFF=0時(shí)是每一個(gè)循環(huán)測(cè)量前調(diào)整方位角用；OFF=1是等待下一次動(dòng)作。計(jì)算回波的時(shí)間采用定時(shí)器TO，因此距離值d=0.334×(THO×256+TLO)／2。每測(cè)完1次，給步進(jìn)電機(jī)1個(gè)觸發(fā)脈沖。然后判斷下一個(gè)動(dòng)作，是做傳感器探測(cè)還是機(jī)器人自身方位角調(diào)整，這樣又進(jìn)入一個(gè)新的循環(huán)。
3 探測(cè)系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人上的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用
3.1 尋找離墻最近點(diǎn)
本文在尋找離墻最近點(diǎn)的設(shè)計(jì)思想是基于超聲波測(cè)距。選擇時(shí)間度越式的測(cè)距方法，通過對(duì)接收回波閾值的設(shè)定和探頭前加一具有吸音作用的套筒，來(lái)限制超聲波傳感器接收范圍。實(shí)驗(yàn)所測(cè)在距離75 cm時(shí)其發(fā)射波束角在土20。左右，能接收反射波的有效角度大約在±40°范圍內(nèi)。
超聲波傳感器的近似圓錐形的波束，決定了其每一次所測(cè)距離是最近點(diǎn)的反射距離。如圖3所示，當(dāng)波束角度 即使偏離到虛線所示，其實(shí)際所得距離仍舊是沿波束中心線所測(cè)的值。按理論上說(shuō)在發(fā)射波束角度內(nèi)所測(cè)的距離應(yīng)該是相同的，但由于超聲波傳感器起震時(shí)間、以及接收閾值的設(shè)置，包括墻面的反射情況等都會(huì)對(duì)距離的測(cè)量造成一定的影響。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)在一定的角度(約±20°)內(nèi)，其測(cè)量的距離值變化不明顯，其相鄰值比較接近(不超過2 mm)。當(dāng)偏角繼續(xù)增大時(shí)，相鄰測(cè)量值變化也明顯增大。因而一種方法就是利用這2個(gè)臨界點(diǎn)，來(lái)找尋其波束與墻垂直的角度(即與墻距離最近點(diǎn))，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)超聲波旋轉(zhuǎn)找尋這2個(gè)臨界點(diǎn)。當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到兩相鄰的值低于2 mm時(shí)，認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，則前后出現(xiàn)變化的點(diǎn)設(shè)為臨界點(diǎn)，在這臨界點(diǎn)內(nèi)的所有點(diǎn)都記下來(lái)，然后求取中點(diǎn)，中點(diǎn)位置即是墻面與超聲波傳感器的最近點(diǎn)。如圖6所示為其中一組所測(cè)數(shù)據(jù)，在72°～108°內(nèi)，是距離測(cè)量的穩(wěn)定區(qū)域，而在這之外，所測(cè)距離的相鄰偏差超過8 mm，而且隨著角度的旋向兩邊時(shí)將進(jìn)一步拉大。在50cm與200cm內(nèi)改變一體式超聲波傳感器與墻面距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果與墻面垂直角度所測(cè)誤差限制在2個(gè)步距角內(nèi)。
3.2探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人沿墻導(dǎo)航
自主式移動(dòng)機(jī)器人是在運(yùn)動(dòng)過程中探測(cè)當(dāng)前環(huán)境的信息。每次探測(cè)的距離信息都以當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為前提來(lái)測(cè)量。而在沿墻直線行走過程中，機(jī)器人是通過測(cè)距和自身姿態(tài)的共同感知保證運(yùn)行軌跡的準(zhǔn)確性。超聲波測(cè)距已被廣泛運(yùn)用，在試驗(yàn)超聲波探測(cè)角度與測(cè)距的關(guān)系后，則可以根據(jù)計(jì)算最近點(diǎn)的方法用超聲波傳感器來(lái)測(cè)量車身的方位角(確定自身姿態(tài))。所測(cè)最近點(diǎn)是機(jī)器人實(shí)際與墻面的距離，通過簡(jiǎn)易編碼器上的直射紅外傳感器l來(lái)確定機(jī)器人的基準(zhǔn)坐標(biāo)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)每一步走過時(shí)存儲(chǔ)的信息來(lái)計(jì)算最近點(diǎn)。在基準(zhǔn)坐標(biāo)和最近點(diǎn)間，用步進(jìn)電機(jī)所走過的角度確定機(jī)器人與墻面的偏角，然后偏角傳達(dá)給車輪驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以調(diào)整方位角。
3.3搜尋障礙物
采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)的方式在功能上近似于多傳感器檢測(cè)。移動(dòng)機(jī)器人通常采用周身圍繞固定多個(gè)超聲波傳感器來(lái)獲取更多的信息，從而增加搜索障礙物的范圍，確定目標(biāo)方向和邊界信息。與之相比，采用旋轉(zhuǎn)的方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以根據(jù)障礙物的緊密程度自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)的密度。采用增加傳感器的數(shù)量是受自身?xiàng)l件限制的，而旋轉(zhuǎn)方式的緊密只和步進(jìn)電機(jī)的步距角相關(guān)。檢測(cè)密度的增加可以大大提高對(duì)角度的分辨力，從而加強(qiáng)對(duì)目標(biāo)方向和邊界信息的確定。
[關(guān)鍵詞]波動(dòng) 液面 干擾 測(cè)量
中圖分類號(hào)：TM125 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）01-0258-01
在正常的錄井過程中，經(jīng)常會(huì)碰到體積波動(dòng)范圍有點(diǎn)大的情況，反映在錄井曲線上就是一些毛刺，這種情況對(duì)于準(zhǔn)確判斷井涌和井漏造成很大的干_，譬如圖中VOLpit2曲線反應(yīng)體積2時(shí)不時(shí)的發(fā)生波動(dòng)，且波動(dòng)范圍比較大，在錄井作業(yè)過程中必須消除這種現(xiàn)象，提供一個(gè)準(zhǔn)確的錄井參數(shù)。
1 體積傳感器的測(cè)量原理
超聲波體積傳感器從換能器發(fā)射出一系列超聲波脈沖，每一個(gè)脈沖由液面發(fā)射產(chǎn)生一個(gè)回波并被換能器接收，并采用濾波技術(shù)區(qū)分來(lái)自液面的真實(shí)回波，及由聲電噪聲和運(yùn)動(dòng)的攪拌器液面產(chǎn)生的虛假回波，脈沖傳播到被測(cè)物并返回的時(shí)間經(jīng)溫度補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換成距離[1]。
西門子probe體積傳感器接法：紅色接電源正極，黑色或者藍(lán)色線接電源負(fù)極，是信號(hào)的輸出，還有一根是屏蔽線，性能指標(biāo) 測(cè)量范圍0.25―5m，精度0.25%，輸出信號(hào)4-20mA，工作電壓0-24V，工作溫度40C--+60C，防護(hù)等級(jí)IP65。
2 毛刺這種現(xiàn)象原因分析及解決措施
對(duì)于毛刺這種現(xiàn)象，經(jīng)過仔細(xì)分析，有以下幾種原因：
（1）探頭被臟物覆蓋
傳感器探頭表面較臟，錄井作業(yè)人員未進(jìn)行有效的清潔保養(yǎng)，造成聲波測(cè)量返回來(lái)的高度有較大的波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)該擦洗探頭，保證探頭面的整潔.
（2）傳感器安裝不合適
循環(huán)罐上提供給提供給體積傳感器的孔太小，或者孔和探頭對(duì)偏，造成超聲波傳感器探頭一部分照射在液面上，一部分照射在罐面上 ，測(cè)得的液面高度有波動(dòng)。
傳感器下方有金屬遮擋物.譬如，在入口的地方同時(shí)安裝體積傳感器，溫度傳感器，電導(dǎo)傳感器，密度傳感器，他們的距離比較近時(shí)， 電導(dǎo)傳感器下面的金屬圈擋住探頭，此時(shí)應(yīng)該拉開他們之間的距離，體積傳感器也不能安裝在靠近罐壁死角的地方，容易造成對(duì)反射波的干擾。
（3）超聲波傳感器參數(shù)設(shè)置不合理
正式錄井前，應(yīng)該測(cè)量好滿灌和空罐的高度和對(duì)應(yīng)的體積，設(shè)置好傳感器的最低高度，最高高度，盲區(qū)等。
傳感器的所有型號(hào)在出廠時(shí)都被調(diào)試過，測(cè)量最大距離時(shí)（容器空時(shí)）是4mA，最小測(cè)量距離時(shí)（容器滿罐時(shí)）是20mA，同時(shí)按下傳感器上的4mA， 20mA兩個(gè)鍵，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量最大距離，然后再按傳感器界面上的4mA， 20mA兩個(gè)按鍵設(shè)定最遠(yuǎn)距離， 同時(shí)按下傳感器上的4mA， 20mA兩個(gè)鍵兩下， 會(huì)出現(xiàn)測(cè)量最小距離， 再按傳感器界面上的4mA， 20mA兩個(gè)按鍵調(diào)節(jié)距離設(shè)定最近距離， 同時(shí)按下傳感器上的4mA， 20mA兩個(gè)鍵三下，可以設(shè)置傳感器的測(cè)量盲區(qū)， 再按再按傳感器界面上的4mA， 20mA兩個(gè)按鍵調(diào)節(jié)距離設(shè)定盲區(qū)[2]。
（4）超聲波傳感器信號(hào)擾
超聲波傳感器如果安裝在離心機(jī)旁邊，離心機(jī)不停的攪動(dòng)，就會(huì)對(duì)超聲波體積傳感器造成干擾，此時(shí)應(yīng)該遠(yuǎn)離攪拌機(jī)，重新選擇位置超聲波傳感器的安裝位置超聲波傳感器。
通道有信號(hào)干擾，應(yīng)該接好屏蔽線正確接地，消除電場(chǎng)干擾減小分布電容亦即增加線間距離是消除干擾非常有效的方法。因此，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝時(shí)采用了合理布線，使傳感器信號(hào)線遠(yuǎn)離了動(dòng)力電纜， 將強(qiáng)、弱信號(hào)線電纜分開鋪設(shè)，以便盡量減小線間的分布電容，從而消除電場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾。[3]。
（5）鉆井液氣泡對(duì)超聲波傳感器測(cè)量的影響
在某些區(qū)塊的鉆井過程中，如果鉆井液中有較多的氣泡，這樣容易造成超聲波測(cè)量的不準(zhǔn)確，這時(shí)候只有建議井隊(duì)調(diào)整鉆井液性能。
穩(wěn)定的氣泡產(chǎn)生必需以下條件：分散介質(zhì)，與分散介質(zhì)不相溶的氣體，表面活性劑，適當(dāng)?shù)臄嚢钘l件。對(duì)鉆井液而言，這些條件均是具備的，因此，鉆井液起泡現(xiàn)象是常見的，只是起泡程度有大有小而已， 當(dāng)遇到地層的時(shí)候，地層中的各種氣體易擴(kuò)散侵入鉆井液中。之后就會(huì)產(chǎn)生氣泡，處理劑分解產(chǎn)生氣泡。處理劑分解的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生氣體，進(jìn)而產(chǎn)生氣泡，攪拌時(shí)會(huì)使空氣進(jìn)入也會(huì)產(chǎn)生氣泡，可以根據(jù)情況，加入消泡劑等材料。
（6） 超聲波傳感器性能的下降
任何一個(gè)傳感器都有一個(gè)使用期限， 使用較長(zhǎng)的時(shí)間，探頭的靈敏度逐漸會(huì)老化，當(dāng)性能不佳造成測(cè)量鉆井液液位波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)該立即更換新的超聲波傳感器。
3 總結(jié)
造成體積波動(dòng)的原因很多，具體來(lái)說(shuō)也就文中列舉的6條因素，在實(shí)際工作過程中可依照上述原因，有效的解決曲線毛刺現(xiàn)象，為鉆井工程提供一個(gè)準(zhǔn)確的異常預(yù)報(bào)。
參考文獻(xiàn)
[1]李軍 智能型超聲波液位傳感器及其應(yīng)用 《中國(guó)高薪技術(shù)產(chǎn)業(yè)》 2009，12，P32
[2]鉆井液液位傳感器說(shuō)明書 SIMENS PROBE
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；全自動(dòng)；電飯煲
中圖分類號(hào)：J524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1005-5312（2012）20-0283-01
一、背景技術(shù)
基于物聯(lián)網(wǎng)概念的全自動(dòng)電飯煲主要功能包括：電飯煲信號(hào)接收端接受用戶通過手機(jī)發(fā)送的信號(hào)，控制電路和機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電飯煲的自動(dòng)定量取米、淘米和煮飯過程，溫度和超聲波位移傳感器應(yīng)對(duì)諸如停水、溫度過高等意外情況。此外，應(yīng)用電子閥門，動(dòng)作精確穩(wěn)定，保證電飯煲的整體性能穩(wěn)定。當(dāng)人們剛下班或者正在堵車的路上，只需要用手機(jī)發(fā)送一個(gè)短信到該產(chǎn)品的接收端，就能完成對(duì)該產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制。該自動(dòng)煮飯機(jī)接受到信號(hào)后，就能依次完成定量取米、攪拌淘米、壓下煮飯開關(guān)等動(dòng)作。本實(shí)用新型電飯煲巧妙地將機(jī)電和通信相結(jié)合，能提前自動(dòng)完成淘米、煮飯等功能。能有效節(jié)省人們的休息時(shí)間，并提高生活質(zhì)量，十分具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。煲的整體性能穩(wěn)定。
二、方案設(shè)計(jì)
（一）機(jī)械模塊
機(jī)械模塊由預(yù)加水模塊、加米模塊、淘米模塊和煮飯模塊組成。
各部分功能如下：為了便于計(jì)算米量，當(dāng)信號(hào)接收端接收到信號(hào)后，單片機(jī)控制電磁閥打開，當(dāng)水量達(dá)到預(yù)定高度20mm（通過超聲波傳感器檢測(cè)水位），電磁閥關(guān)閉，完成預(yù)加水。加米模塊主要由超聲波傳感器、電磁鐵、錐形塞組成，電路芯片控制電磁鐵通電，塞錐上提。待米下降一定高度，超聲波傳感器用于檢測(cè)水位，單片機(jī)計(jì)算出兩次的水位差，當(dāng)水位差達(dá)到預(yù)定值(70mm)，電磁鐵斷電，塞錐自由落下，加米過程完成。淘米模塊由驅(qū)動(dòng)葉片、傳動(dòng)軸和攪拌葉片組成，當(dāng)位于頂蓋檢測(cè)水位的超聲波傳感器檢測(cè)水位達(dá)到預(yù)設(shè)值（90mm），發(fā)出信號(hào)，通過電路芯片控制電磁閥通電，水進(jìn)入驅(qū)動(dòng)空間帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)葉片，實(shí)現(xiàn)淘米功能；待水位達(dá)到預(yù)定值（120mm），電磁閥1斷電，電磁閥2通電，將廢水排出，待水完全排出，超聲波傳感器發(fā)出信號(hào)使該電子閥門關(guān)閉，淘米過程完成。這時(shí)需要加煮飯用的水，同樣水位高度達(dá)到120mm。煮飯模塊主要由電磁鐵2和3、錐形塞組成，實(shí)現(xiàn)煮飯功能。待煮飯用水水位 達(dá)到120mm，電磁鐵2、3通電，使錐形塞上提，當(dāng)米水混合物落入鍋中，超聲波傳感器發(fā)出信號(hào)，通過單片機(jī)控制電磁鐵斷電，錐形塞落下。之后，電磁鐵4通電，使煮飯開關(guān)打開，觸動(dòng)開關(guān)后，電磁鐵斷電。待米煮熟后，煮飯開關(guān)自動(dòng)跳到保溫檔，煮飯結(jié)束。
（二）控制電路
控制電路部分主要包括：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用GSM模塊、傳感器組模塊和電磁閥模塊。
各部分功能如下：通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與家庭中電器的遠(yuǎn)程交互并通過指令使在無(wú)人值守的情況下完成一定的工作。具體為通過GSM模塊獲取SIM卡的指令信息，并具體解析通過單片機(jī)處理發(fā)出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)控制，完成該機(jī)構(gòu)的各個(gè)動(dòng)作最后實(shí)現(xiàn)煮米功能。通過GSM的SMS功能和GPRS功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互信息傳遞。用戶只需通過手機(jī)發(fā)送信息或者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)電飯煲的控制，完成相應(yīng)功能。當(dāng)電飯煲的信號(hào)接收終端接收到用戶信號(hào)，便會(huì)進(jìn)行電飯煲第一個(gè)功能控制電磁閥打開進(jìn)行預(yù)加水。傳感器模塊由一個(gè)超聲波傳感器和一個(gè)溫度傳感器組成，其功能分別如下：超聲波傳感器用于檢測(cè)水位高度；溫度傳感器用于檢測(cè)控制電路所在區(qū)域的溫度，防止因電路故障而引起溫度過高，避免意外的發(fā)生和保溫材料失效導(dǎo)致鍋內(nèi)溫度上傳到電路箱中，影響電路正常工作。電磁閥模塊用于控制進(jìn)水和排水。
三、產(chǎn)品工作流程
當(dāng)該全自動(dòng)電飯煲的接收端（SIM卡）接到用戶的短信命令后，首先是電磁閥打開進(jìn)行預(yù)加水，待超聲波傳感器檢測(cè)水位達(dá)到20mm，該電磁閥關(guān)閉，之后單片機(jī)控制電磁鐵通電，連接桿上提，使儲(chǔ)米器下端的錐形塞打開，生米從儲(chǔ)米器落入電飯煲主體上部的淘米機(jī)中，待超聲波傳感器檢測(cè)水位達(dá)到90mm，錐形塞下落關(guān)閉儲(chǔ)米容器，自動(dòng)加米動(dòng)作完成。
關(guān)鍵詞：智能移動(dòng)；機(jī)器人平臺(tái)；導(dǎo)航技術(shù)
移動(dòng)智能機(jī)器人的研究方向主要包括在視覺、超聲、紅外等傳感器的基礎(chǔ)上，盡量建立富含動(dòng)態(tài)環(huán)境模型的多傳感器融合策略。但是對(duì)于移動(dòng)智能機(jī)器人的研究確實(shí)需要完整開放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此對(duì)于能夠服務(wù)工作與生活領(lǐng)域的移動(dòng)智能機(jī)器人的研究具有較高的研究?jī)r(jià)值。
1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法分析
1.1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)分析
早期的移動(dòng)機(jī)器人由于自主能力較差，往往采用單CPU或者二級(jí)CPU主從控制結(jié)構(gòu)。
1.1.1單CPU集中控制結(jié)構(gòu)
所謂單CPU集中控制結(jié)構(gòu)即是指用一臺(tái)功能全面且較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)全部的控制功能。但不容置否的是由于多種運(yùn)算只依靠一個(gè)計(jì)算機(jī)來(lái)控制，控制過程中涉及許多計(jì)算公式，所以說(shuō)單CPU集中控制的結(jié)構(gòu)速度還是比較慢的。
1.1.2二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)，主從式控制結(jié)構(gòu)
這種方法通過把一級(jí)CPU作為主機(jī)來(lái)?yè)?dān)當(dāng)系統(tǒng)管理的接口功能，與此同時(shí)把一級(jí)CPU的公用內(nèi)存來(lái)作為二級(jí)CPU讀取，這樣一來(lái)就可以全部所有的關(guān)鍵位置的數(shù)字控制功能。但是這兩個(gè)CPU總線之間是沒有直接關(guān)系的，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。
隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)的深入研究，機(jī)器人的智能性要求也越來(lái)越高。20世紀(jì)80年代智能控制領(lǐng)域著名學(xué)者Saridis提出三層分層式體系結(jié)構(gòu)。分層式體系結(jié)構(gòu)是一種以認(rèn)知系統(tǒng)為基礎(chǔ)的人工智能模型，能夠提供一種良好智能系統(tǒng)的控制方式和結(jié)構(gòu)，按照此體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的上下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人具有較高的智能性。國(guó)外以CMU的NavLab系統(tǒng)和Rover系統(tǒng)為典型代表。博創(chuàng)公司生產(chǎn)的UP-VOYAGERII為國(guó)內(nèi)此類移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的典型代表。在此體系結(jié)構(gòu)下，從信息流上看是串聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)的控制行為都必須通過感知、規(guī)劃、執(zhí)行等模塊。導(dǎo)致控制行為的延遲和較差的實(shí)時(shí)性。而機(jī)器人在實(shí)際工作環(huán)境有可能是動(dòng)態(tài)，復(fù)雜，非結(jié)構(gòu)化的，要求較高的實(shí)時(shí)性。當(dāng)機(jī)器人遇到突發(fā)障礙物時(shí)，可能造成避障失敗。
1.2移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析
為了使系統(tǒng)具有開放性，易于修改、重構(gòu)和添加，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)。共包括三大模塊，各模塊之間通過CAN總線進(jìn)行通訊。由于CAN總線只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，并未規(guī)定應(yīng)用層協(xié)議，為了使得平臺(tái)具有更好的開放性，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)SDS應(yīng)用層協(xié)議，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明SDS協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)基于混合式體系結(jié)構(gòu)的思想。
超聲測(cè)距模塊：8個(gè)超聲波傳感器組成1800探測(cè)范圍的超聲波環(huán)，由8位單片機(jī)AT89s52控制超聲波的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)障礙物信息的采集。超聲波環(huán)的探測(cè)范圍為2cm～3m，能夠?qū)崿F(xiàn)近距離障礙物的探測(cè)。
電機(jī)控制模塊：用基于ARM7內(nèi)核的32位單片機(jī)LPC2292作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。能直接從超聲測(cè)距模塊讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于行為體系結(jié)構(gòu)的反應(yīng)式避障。接受規(guī)劃層的命令實(shí)現(xiàn)基于分層式體系結(jié)構(gòu)智能行為。
筆記本：完成移動(dòng)機(jī)器人視覺定位，地圖建立，路徑規(guī)劃等高級(jí)智能行為。
2超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及移動(dòng)機(jī)器人底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CAN控制器和單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)由專用的復(fù)位芯片MAX708SESA提供。該芯片提供低電平復(fù)位和高電平復(fù)位兩種復(fù)位信號(hào)。低電平復(fù)位用于單片機(jī)和8155復(fù)位。高電平復(fù)位用于CAN控制器復(fù)位。8155只作為IO口擴(kuò)展用，端子IO/M接VCC。超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為2～5us脈沖，這里通過單片機(jī)的IO口P1口來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。8個(gè)超聲波傳感器采用分組循環(huán)發(fā)射的方式啟動(dòng)超聲波，一次同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)超聲波傳感器。如果分別采集四路回波信號(hào)，實(shí)時(shí)性難以保證。本系統(tǒng)通過或門電路將四路回波信號(hào)整合成一路回波信號(hào)，通過外部中斷0通知CPU。外部中斷采用電平觸發(fā)方式。傳感器系統(tǒng)的程序包括兩部分，一是驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，并獲得相應(yīng)的障礙物距離信息。二是通過CAN總線與其它模塊進(jìn)行通信。
2.2移動(dòng)機(jī)器人底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性。ARM本身是32位處理器，集成了16位的Thumb指令集。這使得ARM可以代替16位的處理器如96系列單片機(jī)使用，同時(shí)具有32位處理器速度。ARM嵌入式系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能，良好的移植性，廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。用單片機(jī)和DSP實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，采用ARM處理器同樣也可以實(shí)現(xiàn)。本文嘗試用菲利普公司生產(chǎn)的基于ARM7內(nèi)核的LPC2292芯片為底層控制系統(tǒng)的核心芯片。設(shè)計(jì)一種基于ARM車載嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案，底層控制系統(tǒng)需要具備讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)基于行為的避障。接收規(guī)劃層的命令控制移動(dòng)機(jī)器人。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。甚至直接在底層控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地圖建立，路徑規(guī)劃，所以底層控制系統(tǒng)必須具備如下基本模塊：電機(jī)調(diào)速D/A模塊、光電旋轉(zhuǎn)編碼器信息采集模塊、通信模塊。
3結(jié)語(yǔ)
綜上所述，本文參考中科院CASIA移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，提出一種基于混合式體系結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了超聲導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)。并在所設(shè)計(jì)的平臺(tái)上研究了在室內(nèi)環(huán)境中如何利用多超聲波傳感器的信息建立環(huán)境地圖。希望通過此次理論研究對(duì)實(shí)際發(fā)展起到促進(jìn)作用。
參考文獻(xiàn)：
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[3]范永，潭民.C器人控制器的現(xiàn)狀與展望.機(jī)器人，2015.21（1）：75-78.
你猜？有許多錢？不對(duì)！有新朋友了？不對(duì)。讓我告訴你吧，輕輕地，不要給別人聽見，只悄悄地給你說(shuō)：我有一個(gè)機(jī)器人啦！
這個(gè)機(jī)器人是爸爸上個(gè)月從美國(guó)給我?guī)Щ貋?lái)的。
拆開包裝，我就迫不及待地拼裝起機(jī)器人來(lái)。拼完之后，我仔細(xì)地打量起它來(lái)。它呈長(zhǎng)方形，外科是由發(fā)光的硬塑料制成，在燈光的照射下，泛出紅、黃、藍(lán)、綠、紫5種顏色。超聲波傳感器很靈，一碰到桌椅就會(huì)巧妙地躲開。顏色傳感器和超聲波傳感器有所不同：顏色傳感器一定要探到所設(shè)定的顏色后才會(huì)后退，而超聲波傳感器先發(fā)射超聲波，碰到物體會(huì)返回，它就不會(huì)撞墻了。
其他的大小零件就更多了，像觸摸傳感器、彩色電板、彩球發(fā)射器等，一共有好幾十個(gè)呢！
【關(guān) 鍵 詞】AT89S51單片機(jī)， nRF24L01， 超聲波傳感器，GFSK
【中圖分類號(hào)】G71【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0259-02
1 前言
由于需要測(cè)量的水池或水塔與控制室有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，常常需要架設(shè)上百到近千米的輸電和控制線路，費(fèi)用大。給測(cè)量和控制帶來(lái)了極大的不方便。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的無(wú)線測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)完成了不需要架設(shè)電纜和實(shí)現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遙測(cè)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和生活有極大的實(shí)用價(jià)值。
2 原理框圖
應(yīng)用單片機(jī)控制的水位遙測(cè)自控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：
以AT89S51單片機(jī)為主要控制核心，構(gòu)建成兩個(gè)無(wú)線短矩離通信數(shù)字電臺(tái)，利用軟件控制水位傳感器測(cè)量出實(shí)時(shí)的水位信息。而數(shù)據(jù)的無(wú)線傳送應(yīng)用Nordic公司的高速無(wú)線單片無(wú)線射頻芯片nRF24L01通GFSK調(diào)制以最高達(dá)1Mbit/s的速度快速發(fā)送出去。通過設(shè)置主控制站的鍵盤可以遠(yuǎn)程設(shè)置水位的上下限，主控制站采用易于人機(jī)交換的LCD1602作為數(shù)據(jù)顯示。采用單片機(jī)設(shè)計(jì)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。另外，單片機(jī)控制系統(tǒng)的靈活性和程序的可移植性好。
鍵盤：采用獨(dú)立式鍵盤，AT89S51的I/O口具有位驅(qū)動(dòng)能力，而且所用按鍵數(shù)目不多，可以通過單片機(jī)軟件利用查詢或中斷方式簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)各種控制?？紤]到該控制軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)都比較復(fù)雜，CPU需要驅(qū)動(dòng)較多的電子器件，要利用到單片機(jī)內(nèi)部的資源較多，所以采用獨(dú)立式鍵盤顯示模塊：使用專用的LCD1602顯示驅(qū)動(dòng)器和LCD1602顯示模塊。LCD1602顯示模塊通過接口接收顯示命令和數(shù)據(jù)，并按指令和數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行顯示。LCD顯示模塊一般帶有內(nèi)部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進(jìn)行顯示而且不用一直掃描顯示，可以減輕CPU的工作負(fù)擔(dān)，使其可以去做其它更重要的處理。
液位傳感器：使用超聲波液位傳感器，這種傳感器是通過測(cè)量超聲波在空氣中行走時(shí)間來(lái)計(jì)算液位的實(shí)時(shí)高度。因?yàn)槌暡y(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果，而且超聲波指向性強(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(cè)量，利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。而且它的造價(jià)也不高，且安裝方便，實(shí)用性好。本設(shè)計(jì)屬于近距離測(cè)量，采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波因其方向性好、測(cè)量精度高，已廣泛應(yīng)用于液位、流量、物距等方面的檢測(cè)。本系統(tǒng)采用單片機(jī)輸出40KHZ的方波經(jīng)過74HC04所組成的幾個(gè)與非門放大發(fā)射出去，經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)以后再打開外中斷。CX20106A接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S。在速度V已知的情況下，距離S的計(jì)算，公式如下為S=VT/2
遠(yuǎn)程測(cè)量與控制：采用無(wú)線RF射頻模組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用Nordic公司的收發(fā)一體的無(wú)線RF芯片nRF24L01，通過簡(jiǎn)單的幾個(gè)外部連接元件可以實(shí)現(xiàn)最高2Mbit/S的速率傳輸。nRF24L01工作在全球開放2.4～2. 5GHZ波段，只要通過SPI把配置字寫到nRF24L01里，就可以把所要傳送的數(shù)無(wú)線傳送出去，還以實(shí)現(xiàn)自應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)。其操作簡(jiǎn)單，成本低，且能夠滿足本設(shè)計(jì)要求。
3 總體硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
主測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖如圖2 所示：
從測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖如圖3 所示：
4 系統(tǒng)軟件流程圖
（1） 測(cè)控站主程序流程圖如圖4所示：
（2） 超聲波測(cè)距流程圖如圖5所示：
（3） 主控站流程圖如圖 6所示：
（4） 無(wú)線發(fā)射流程圖如圖7所示：
5 結(jié)論
本水位遙測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于小型水泵的控制采用慢速汲水，以確保超聲波傳感器測(cè)量的精度和水位控制的精度，在測(cè)量水位時(shí)，安裝超聲波傳感器時(shí)要離容器正上方一定高度按裝，以消除超聲波測(cè)量的盲區(qū)。本系統(tǒng)是安裝在容器正上方十厘米處。整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操作方便，具有比較好的穩(wěn)定性，能夠精確的測(cè)量液位，遇警時(shí)能自動(dòng)調(diào)至正常，并且可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定液位。通過按鍵可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定水位報(bào)警的上下限，使得裝置更加智能化。
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關(guān)鍵詞：智能車輛；環(huán)境感知；傳感器；多傳感器信息融合
中圖分類號(hào)：E91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2012） 14-0026-01
一、前言
隨著社會(huì)的進(jìn)步，汽車成為人們出行必不可少的交通工具，車輛堵塞、交通事故等問題也日益顯現(xiàn)。汽車數(shù)量的快速增長(zhǎng)造成了公共交通效率低下、交通事故頻發(fā)。建立起現(xiàn)代化的智能交通系統(tǒng)便被提到日程上來(lái)。智能車輛（Intelligent Vehicles， IV）作為智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要組成部分，也是系統(tǒng)的運(yùn)行主體，能夠提高駕駛安全性，大幅改善公路交通效率，降低能源消耗量，由于眾多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的研究日益受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
智能交通系統(tǒng)能夠有效緩解交通壓力，合理調(diào)配公共交通資源和道路資源?；跈C(jī)器傳感技術(shù)和控制技術(shù)，駕駛系統(tǒng)采用信息傳輸技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)監(jiān)測(cè)道路路面、交通標(biāo)志、其他車輛、行人以及交通事故等道路環(huán)境狀況，有效保證智能車輛在各種路況下的安全行駛，并能對(duì)一些異常狀況進(jìn)行及時(shí)處理。在過去的10多年里，相關(guān)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，有些國(guó)家已經(jīng)成功開發(fā)了一些基于視覺的道路識(shí)別和跟蹤系統(tǒng)。其中，具有代表性的系統(tǒng)有：LOIS系統(tǒng)、GOLD系統(tǒng)、RALPH系統(tǒng)、SCARF 系統(tǒng)和ALVINN系統(tǒng)等。從這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用便可看出，感知外部環(huán)境模塊是智能車輛的核心技術(shù)。
二、環(huán)境感知傳感器在智能車輛上的應(yīng)用現(xiàn)狀
智能車輛在道路上暢行離不開相應(yīng)的傳感技術(shù)，其中最重要的是道路環(huán)境感知模塊，該模塊將先進(jìn)的通訊技術(shù)、信息傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)系統(tǒng)利用。智能車輛系統(tǒng)主要有環(huán)境感知模塊、分析模塊、控制模塊等部分組成。環(huán)境感知傳感系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、超聲波傳感器和紅外線傳感器組成。
（一）機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)
機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)是指智能車輛利用CCD等成像元件從不同角度全方位拍攝車外環(huán)境，根據(jù)搜集到的視覺信息，識(shí)別近距離內(nèi)的車輛、行人、交通標(biāo)志等。機(jī)器視覺也有其弱點(diǎn)，容易受到環(huán)境的影響，在能見度較低時(shí)效果不理想，因此，在傳感器類別中屬于被動(dòng)型。與雷達(dá)系統(tǒng)相比較，視覺識(shí)別系統(tǒng)價(jià)格低廉，一輛車上可以安裝多處，監(jiān)測(cè)范圍更大，搜集道路信息更為全面，通過對(duì)其所得的圖像進(jìn)行處理可以識(shí)別、檢測(cè)周圍路況，這些也是主動(dòng)型傳感器無(wú)法替代的。所以越來(lái)越多的人對(duì)利用機(jī)器視覺感知車輛行駛環(huán)境產(chǎn)生很大的興趣，該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見，普及率最高，機(jī)器視覺在智能車輛研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用， 成為最受歡迎的傳感器之一。
（二）雷達(dá)系統(tǒng)
雷達(dá)系統(tǒng)是一種主動(dòng)型傳感器，利用微電磁波探測(cè)目標(biāo)距離、速度、方位等。雷達(dá)不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)與繁復(fù)的計(jì)算。雷達(dá)系統(tǒng)的使用不受光線、天氣等因素干擾，無(wú)論是白天還是黑夜，晴天或者下雨，雷達(dá)系統(tǒng)都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于雷達(dá)是靠電磁波反射原理來(lái)工作的，這會(huì)導(dǎo)致相近的不同雷達(dá)間電磁波相互干擾而影響工作效能。但是，瑕不掩瑜，由于雷達(dá)在準(zhǔn)確提供遠(yuǎn)距離的車輛和障礙物信息方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此在車輛的防碰撞系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
（三）超聲波傳感器
顧名思義，超聲波傳感器是指利用超聲波為檢測(cè)方法的傳感器。使用超聲波探測(cè)得來(lái)的的數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、快速，超聲波傳感器可以發(fā)射定向長(zhǎng)生波，能夠在較小范圍內(nèi)檢測(cè)到物置。這種技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上比較廣泛和成熟。汽車工業(yè)上的利用首見于在歐洲銷售的的BMW 車上的超聲波停車裝置。這種系統(tǒng)利用一片單片機(jī)進(jìn)行控制，超聲波遇到障礙反射回傳后，根據(jù)傳感器探測(cè)距離發(fā)出不同的提示音。
（四）紅外線傳感器
紅外線傳感器是利用紅外線來(lái)進(jìn)行測(cè)量工作的傳感器，技術(shù)更加先進(jìn)。紅外線傳感器不受黑暗、風(fēng)、沙、雨、雪、霧的阻擋，環(huán)境適應(yīng)性好，且功耗低。這些特點(diǎn)使它遠(yuǎn)超其他傳感器。與超聲波傳感器相比，反應(yīng)速度更快，探測(cè)范圍更廣，由于其探測(cè)視角小，方向性和測(cè)量精度有所提高。與機(jī)器視覺結(jié)合使用，紅外線傳感器可以增強(qiáng)機(jī)器視覺識(shí)別的可靠性，使黑夜如同白晝，因此常被用于智能汽車中的夜視系統(tǒng)中。
三、多傳感器的綜合利用
在復(fù)雜的路況環(huán)境下，單一傳感器都有其局限性，僅僅安裝單一傳感器難以提供路況環(huán)境的全面描述，因此設(shè)計(jì)智能車輛必須配置多種傳感器。例如夜間行駛時(shí)紅外線傳感器是必不可少的；而停車、倒車時(shí)主要使用超聲波、雷達(dá)探測(cè)周邊障礙物的遠(yuǎn)近；機(jī)器視覺除日常應(yīng)用外與其他傳感器結(jié)合起來(lái)可以使得智能車輛駕駛安全性更加可靠。
隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和電子技術(shù)的進(jìn)步，智能車輛技術(shù)研究中多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用取得了許多令人振奮的成果。如車載系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)、歐洲的Peugeo系統(tǒng)、美國(guó)的IVHS系統(tǒng)等。Tsai-Hong Hong等利用激光傳感器采集圖像獲得車輛前方的距離信息，在正常的路況環(huán)境下，采用彩色攝像機(jī)與激光傳感器聯(lián)合感知道路表面和定位道路邊界。這些技術(shù)經(jīng)過不斷改進(jìn)，相信在不久的將來(lái)引起汽車工業(yè)的革命。
四、結(jié)語(yǔ)
在智能車輛的環(huán)境感知模塊技術(shù)研究中，傳感器是智能車輛控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。如何使傳感器技術(shù)更好的應(yīng)用到汽車行業(yè)上來(lái)，未來(lái)將成為傳感器技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。
整合各種類型的傳感器技術(shù)，使其為智能車輛提供更加真實(shí)可靠的路況環(huán)境信息，對(duì)智能汽車技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。由于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境所得到信息大多數(shù)都是不確定信息，傳感器回饋信息融合還原真實(shí)路況還有很大的困難。
縱觀全球，我國(guó)的智能車輛研究工作還處于起步階段，同歐美日等相比還很落后。但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量不斷膨脹，嚴(yán)峻的交通現(xiàn)狀迫使我們把發(fā)展智能交通盡早提到日程上來(lái)，只要我們勇于創(chuàng)新，結(jié)合我國(guó)具體國(guó)情，不斷進(jìn)行深入、細(xì)致的研究，我國(guó)智能化交通必能早日實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵字 FPGA；超聲波；霍爾傳感器；剎車系統(tǒng)
中圖分類號(hào)U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2014）111-0081-03
0 引言
伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有車一族正變得日益龐大，但與此同時(shí)，交通事故的發(fā)生也變得更加頻繁，許多駕駛員因此失去了寶貴的生命。而根據(jù)交通部門的最新統(tǒng)計(jì)，大部分事故的發(fā)生是由于車主無(wú)法及時(shí)剎車，結(jié)果造成了車輛追尾事故。在這種背景下，本文綜合考慮各種因素設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)剎車系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)原理及組成
如圖1所示，本系統(tǒng)主要包括三大模塊：測(cè)量模塊，數(shù)據(jù)分析處理模塊和自動(dòng)剎車模塊。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
1）測(cè)量模塊
這一部分主要是用來(lái)實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前車輛的車速和本車、前車或者障礙物之間的距離。具體工作則是由超聲波傳感器和霍爾傳感器測(cè)得。
2）數(shù)據(jù)分析處理模塊
數(shù)據(jù)分析模塊是對(duì)測(cè)得的速度和距離參數(shù)進(jìn)行分析和處理。本模塊內(nèi)的相關(guān)軟硬件將這些信息進(jìn)行識(shí)別分類、分析以及計(jì)算等綜合處理，得到的是汽車行駛的具體數(shù)據(jù)，比如與前車或障礙物的距離，車速的大小等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)作為是否自動(dòng)剎車的重要參考，而這一切功能主要都是通過FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3）自動(dòng)剎車模塊
自動(dòng)剎車部分是對(duì)前面分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，根據(jù)模型來(lái)判斷汽車的行駛速度與狀態(tài)，對(duì)當(dāng)前的行駛狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷車輛是否超速，是否超過安全距離等，然后反饋給駕駛?cè)斯﹨⒖?，必要時(shí)候會(huì)有語(yǔ)音報(bào)警提醒以及超時(shí)后自動(dòng)剎車等操作。該模塊包括語(yǔ)音報(bào)警電路和剎車控制單元。
2 硬件設(shè)計(jì)
圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
2.1 傳感器
傳感器是將某種不易進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的信號(hào)轉(zhuǎn)化為分析處理的如電信號(hào)，在本文中主要用到了檢測(cè)距離的超聲波傳感器和檢測(cè)車速的霍爾傳感器，由于距離有前后，所以一次需要兩個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行車前和車后的檢測(cè)，霍爾傳感器需要安裝在車身底盤檢測(cè)車速，圖3和圖4分別為超聲波傳感器和霍爾傳感器。
圖3超聲波傳感器
圖4 霍爾傳感器
2.2 微型處理器
微型處理器是此系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理分析的核心，主要功能是對(duì)汽車檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到車距以及車速等數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行建模判斷車況狀態(tài)。微型處理器在當(dāng)前常用主要有ARM芯片、DSP芯片、FPGA芯片等，ARM類似單片機(jī)，控制管理較強(qiáng)，主要體現(xiàn)在控制功能上，DSP數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，而FPGA靈活性更好，可重復(fù)性高，實(shí)時(shí)性好，本文根據(jù)分析后采用FPGA芯片進(jìn)行處理。FPGA芯片主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理模塊和自動(dòng)剎車模塊的相關(guān)功能，它具有運(yùn)行速度快、執(zhí)行效率高、并行處理和可靠性好等突出優(yōu)勢(shì)。
本系統(tǒng)采用的是臺(tái)灣友晶公司的DE2-115系列開發(fā)板，該開發(fā)板主芯片型號(hào)為Cyclone IV EP4CE115F29，它包含114，480個(gè)邏輯單元，432 M9K的內(nèi)存模塊，3，888 Kbits的嵌入式存儲(chǔ)器位以及4 個(gè)鎖相環(huán)，在存儲(chǔ)配置方面，也極其豐富，完全滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。
2.3 語(yǔ)音報(bào)警電路
語(yǔ)音報(bào)警電路的作用是：當(dāng)汽車的行駛狀況達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)警示駕駛?cè)?，這里的電路中運(yùn)用的美國(guó)ISD公司的2500系列專業(yè)語(yǔ)音芯片，根據(jù)錄放時(shí)間有不同的型號(hào)，ISD2500是DIP封裝，片內(nèi)E2PROM能達(dá)到480k的容量，十根地址線，能尋址1024位，錄音時(shí)間長(zhǎng)，支持分段錄音，音質(zhì)好，支持抗斷電特點(diǎn)，并且內(nèi)部集成了功放電路，因此可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，圖5為ISD2500的基本電路圖。
圖5 語(yǔ)音報(bào)警電路
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件流程
圖6表示的是自動(dòng)剎車的流程圖。軟件流程通過兩個(gè)方面同時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，一方面判斷距離是否達(dá)到報(bào)警距離，如果達(dá)到報(bào)警距離然后接著判斷是否小于安全距離，如果未到安全距離則報(bào)警提示駕駛?cè)?，等待操作減速，如果駕駛?cè)瞬⑽醋鞒鋈魏尾僮?，等到距離小于安全距離后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)剎車；另一方面判斷汽車距離的相對(duì)速度是否大于報(bào)警速度，如果大于報(bào)警速度會(huì)繼續(xù)判斷是否大于安全速度，如果沒有則先報(bào)警等待駕駛?cè)瞬僮?，如果車速繼續(xù)增加甚至大于安全速度時(shí)候則會(huì)強(qiáng)行剎車，以保證駕駛員的安全。
圖6 自動(dòng)剎車流程圖
3.2 系統(tǒng)初始化
如圖7所示，系統(tǒng)初始化是對(duì)汽車的數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到相關(guān)結(jié)果。初始化后會(huì)檢測(cè)到自車速度、前車速度以及車距，并實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)兩者的車速可以計(jì)算出相對(duì)速度，再根據(jù)車距等參數(shù)進(jìn)行建模分析得到報(bào)警距離d1，安全車距d2，報(bào)警速度速度v1，安全車速v2，每一次實(shí)時(shí)的檢測(cè)都會(huì)更新d1，d2，v1，v2，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化。
圖7 系統(tǒng)初始化示意圖
3.3 車距和車速計(jì)算
1）超聲波測(cè)距：超聲波測(cè)距主要是利用它的的強(qiáng)反射性能，大致工作原理如圖8所示。 在接收到電信號(hào)后，F(xiàn)PGA芯片即可計(jì)算出前車與本車之間的相對(duì)距離H=1/2*vtcosθ。式中v為超聲波在空氣中的傳播速度（在常溫下v為某一常數(shù)）；t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。由于角度幾乎為0，故上式可變?yōu)镠=1/2*Vt 。
圖8 超聲波測(cè)距原理圖
2）霍爾傳感測(cè)速：在利用霍爾傳感器進(jìn)行車速測(cè)量的過程中，還需用到鐵質(zhì)齒輪。如圖9所示，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ，測(cè)速齒輪也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而引起齒輪和霍爾原件之間的磁通密度發(fā)生變化 ， 傳感器一旦檢測(cè)到這種變化就會(huì)馬上輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，汽車的速度就可以通過測(cè)量脈沖的頻率而得出。 具體計(jì)算公式為 : V =C*n，其中V為汽車的車速 ， C為車輪周長(zhǎng)，n為汽車轉(zhuǎn)速。
圖9 霍爾傳感器測(cè)速裝置示意圖
3.4 安全車距計(jì)算模型
假設(shè)系統(tǒng)認(rèn)定的安全距離為d1，也即是在當(dāng)前車速下，本車與前車間距不小于d1的時(shí)候才能保證安全；由于不同速度下的安全距離值不一樣，所以d1的數(shù)值是在不斷變化的。根據(jù)汽車制動(dòng)的幾個(gè)過程，我們需要考慮以下幾個(gè)時(shí)間參數(shù)，包括反應(yīng)動(dòng)作時(shí)間tf ，制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間tx，減速度增長(zhǎng)時(shí)間和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間tz ，那么安全車距的計(jì)算模型則如式(3.3)所示：
(3.3)
上式中，V0 是剎車瞬間車輛的速度?？紤]不到實(shí)際車況和其他因素，安全車距的計(jì)算模型如式（3.4）：
(3.4)
其中VA 為前面車輛的車速。
4 結(jié)論
按照前面的設(shè)計(jì)思路，可以搭建出一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的自動(dòng)剎車系統(tǒng)。對(duì)于該系統(tǒng)，我們進(jìn)行了多次實(shí)車驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠有效且穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)剎車功能，完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。
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