發布時間：2022-03-12 02:04:04
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的超聲波傳感器樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
關鍵詞：超聲波傳感器；移動機器人；最近點；探測系統
中圖分類號：TPl8
文獻標識碼：B
文章編號：1004―373X(2008)04―156―03
移動機器人要獲得自主行為，其最重要的任務之一是獲取關于環境的知識。這是用不同的傳感器測量并從那些測量中提取有意義的信息而實現的。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在移動機器人中得到實際應用。超聲波傳感器以其性價比高、硬件實現簡單等優點，在移動機器人感知系統中得到了廣泛的應用。但是超，聲波傳感器也存在一定的局限性，主要是因為波束角大、方向性差、測距的不穩定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多個超聲波傳感器或采用其他傳感器來補償。為了彌補超聲波傳感器本身的不足，又能提高其獲取環境信息的能力，本文設計由一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統。
1 超聲波傳感器的探測原理及方法分析
超聲波傳感器的基本原理是發送(超聲)壓力波包，并測量該波包發射和回到接收器所占用的時間。
L＝c×t/2
(1)
其中，L為目標距超聲波傳感器的距離；c為超聲波波速(為了簡化說明，本文以下討論的測量距離時不考慮波速受溫度的影響)；t為發射到接收的時間間隔。
由于用超聲波測量距離并不是一個點測量。超聲波傳感器具有一定的擴散特性，發射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側呈波浪型衰減，左右約30°的擴散角。事實上，式(1)計算度越時間的方式是基于超聲波成功、垂直的反射名義下進行的。但對于移動機器人很難保證其自身運動姿態的穩定性，采用超聲波傳感器固定在移動機器人車身的探測方式，當移動機器人偏離平行墻面時，探測系統往往很難得到實際的距離。另外，超聲波這種發散特性在應用于測量障礙物的時候，只能提供目標障礙物的距離信息，而不能提供目標的方向和邊界信息。這些缺陷都大大限制了超聲波傳感器的實際應用和推廣。
本文在通過理論的分析和不斷地試驗的基礎上，采用四相步進電機帶動單個一體式超聲波傳感器旋轉的方式，組成一個動態的感測系統。
2 一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統
2.1 結構設計
實物照片如圖1所示，超聲波傳感器焊在PCB板上，板子通過鋼管樹起，鋼管另一端和步進電機軸相連，步進電機固定在機器人底盤下方。傳感器控制信號與輸出信號通過信號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形套筒，上口直徑為22 mm，下口直徑為16 mm，高20 mm。這樣發射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。為了機器人自我調整姿態，需要確定其自身的轉動方向和基準位置。因而自制一片由直射式紅外光電傳感器和轉盤組成的簡易光電編碼器。2個直射式紅外光電傳感器分布如圖2中2個Ⅰ，Ⅱ所示以180°間隔水平安置在機器人小車車身兩側邊的中點連接線上。轉盤與轉臂連接在同心圓上，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單獨導通作為基準坐標，Ⅰ，Ⅱ同時導通用來判斷旋轉方向，Ⅱ單通作為機器人沿墻回歸時的導航基準。
通過步進電機帶動一體式超聲波傳感器轉動，以傳感器中軸垂直于機器人車體的方向作為其自身姿態調整的坐標基準，步進電機采用4相4拍步距角為1.8°，每轉1步，超聲波傳感器檢測1次，將測量值通過串口送上位機。
2.2探測系統硬件設計
探測系統硬件主要由超聲波發生電路、超聲波接收電路，步進電機調速模塊等組成。如圖3所示，系統的核心為單片機89S51，主要完成信號的發射和接收、控制步進電機、并傳送數據給機器人上位機進行處理。
超聲波的發射電路采用單片機ATM89$51的P11口輸出發射脈沖，由74HC04作為驅動來連接超聲波傳感器，74HC04是為了增強其輸出電流的能力，提高超聲波傳感器的發射距離。
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后，對信號進行放大，電壓增益約80 dB。然后將信號送到限幅放大器，使其變為矩形脈沖，再由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，由檢波器濾掉載頻檢出指令信號，再經過整形后，由7腳輸出低電平。7腳輸出的脈沖下降沿通過單片機INT0口輸入。如圖4所示。
一體式超聲波傳感器發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，接收電路與發射電路會相互影響，采用CMOS雙向模擬開關CD4066BE實現發射與接收的隔離。步進電機控制模塊，采用環形脈沖分配器1297+雙H橋功率集成電路L298的控制方式。單片機的P1.6，P1.7，P2.3分別接L297的CW，clock，enable控制端，控制電機的正反轉、時鐘信號、啟停。
2.3探測系統軟件設計
探測系統的軟件主要由主程序模塊、中斷服務程序模塊、傳感器發射接收模塊組成。這里主要對探測系統主程序模塊加以說明。主程序流程圖如圖5所示。
超聲波傳感器和步進電機測控模塊分屬不同的單片機控制，因此感測系統與移動機器人的上位機必須依靠單片機間的I／O口線及串行異步通訊實現。標志位T是用來切換動作，T=O，OFF=0同時滿足時，是超聲波傳感器尋常的探測過程；T=1，OFF=0時是每一個循環測量前調整方位角用；OFF=1是等待下一次動作。計算回波的時間采用定時器TO，因此距離值d=0.334×(THO×256+TLO)／2。每測完1次，給步進電機1個觸發脈沖。然后判斷下一個動作，是做傳感器探測還是機器人自身方位角調整，這樣又進入一個新的循環。
3 探測系統在移動機器人上的實驗與應用
3.1 尋找離墻最近點
本文在尋找離墻最近點的設計思想是基于超聲波測距。選擇時間度越式的測距方法，通過對接收回波閾值的設定和探頭前加一具有吸音作用的套筒，來限制超聲波傳感器接收范圍。實驗所測在距離75 cm時其發射波束角在土20。左右，能接收反射波的有效角度大約在±40°范圍內。
超聲波傳感器的近似圓錐形的波束，決定了其每一次所測距離是最近點的反射距離。如圖3所示，當波束角度 即使偏離到虛線所示，其實際所得距離仍舊是沿波束中心線所測的值。按理論上說在發射波束角度內所測的距離應該是相同的，但由于超聲波傳感器起震時間、以及接收閾值的設置，包括墻面的反射情況等都會對距離的測量造成一定的影響。由實驗測得，當在一定的角度(約±20°)內，其測量的距離值變化不明顯，其相鄰值比較接近(不超過2 mm)。當偏角繼續增大時，相鄰測量值變化也明顯增大。因而一種方法就是利用這2個臨界點，來找尋其波束與墻垂直的角度(即與墻距離最近點)，步進電機帶動超聲波旋轉找尋這2個臨界點。當連續檢測到兩相鄰的值低于2 mm時，認為已進入穩定區，則前后出現變化的點設為臨界點，在這臨界點內的所有點都記下來，然后求取中點，中點位置即是墻面與超聲波傳感器的最近點。如圖6所示為其中一組所測數據，在72°～108°內，是距離測量的穩定區域，而在這之外，所測距離的相鄰偏差超過8 mm，而且隨著角度的旋向兩邊時將進一步拉大。在50cm與200cm內改變一體式超聲波傳感器與墻面距離進行實驗，其結果與墻面垂直角度所測誤差限制在2個步距角內。
3.2探測系統應用于機器人沿墻導航
自主式移動機器人是在運動過程中探測當前環境的信息。每次探測的距離信息都以當前機器人的運動姿態為前提來測量。而在沿墻直線行走過程中，機器人是通過測距和自身姿態的共同感知保證運行軌跡的準確性。超聲波測距已被廣泛運用，在試驗超聲波探測角度與測距的關系后，則可以根據計算最近點的方法用超聲波傳感器來測量車身的方位角(確定自身姿態)。所測最近點是機器人實際與墻面的距離，通過簡易編碼器上的直射紅外傳感器l來確定機器人的基準坐標，根據步進電機每一步走過時存儲的信息來計算最近點。在基準坐標和最近點間，用步進電機所走過的角度確定機器人與墻面的偏角，然后偏角傳達給車輪驅動控制系統以調整方位角。
3.3搜尋障礙物
采用步進電機帶動超聲波傳感器旋轉的方式在功能上近似于多傳感器檢測。移動機器人通常采用周身圍繞固定多個超聲波傳感器來獲取更多的信息，從而增加搜索障礙物的范圍，確定目標方向和邊界信息。與之相比，采用旋轉的方式的一個優點，就是可以根據障礙物的緊密程度自動調整檢測的密度。采用增加傳感器的數量是受自身條件限制的，而旋轉方式的緊密只和步進電機的步距角相關。檢測密度的增加可以大大提高對角度的分辨力，從而加強對目標方向和邊界信息的確定。
[關鍵詞]波動 液面 干擾 測量
中圖分類號：TM125 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）01-0258-01
在正常的錄井過程中，經常會碰到體積波動范圍有點大的情況，反映在錄井曲線上就是一些毛刺，這種情況對于準確判斷井涌和井漏造成很大的干_，譬如圖中VOLpit2曲線反應體積2時不時的發生波動，且波動范圍比較大，在錄井作業過程中必須消除這種現象，提供一個準確的錄井參數。
1 體積傳感器的測量原理
超聲波體積傳感器從換能器發射出一系列超聲波脈沖，每一個脈沖由液面發射產生一個回波并被換能器接收，并采用濾波技術區分來自液面的真實回波，及由聲電噪聲和運動的攪拌器液面產生的虛假回波，脈沖傳播到被測物并返回的時間經溫度補償后轉換成距離[1]。
西門子probe體積傳感器接法：紅色接電源正極，黑色或者藍色線接電源負極，是信號的輸出，還有一根是屏蔽線，性能指標 測量范圍0.25―5m，精度0.25%，輸出信號4-20mA，工作電壓0-24V，工作溫度40C--+60C，防護等級IP65。
2 毛刺這種現象原因分析及解決措施
對于毛刺這種現象，經過仔細分析，有以下幾種原因：
（1）探頭被臟物覆蓋
傳感器探頭表面較臟，錄井作業人員未進行有效的清潔保養，造成聲波測量返回來的高度有較大的波動，此時應該擦洗探頭，保證探頭面的整潔.
（2）傳感器安裝不合適
循環罐上提供給提供給體積傳感器的孔太小，或者孔和探頭對偏，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 ，測得的液面高度有波動。
傳感器下方有金屬遮擋物.譬如，在入口的地方同時安裝體積傳感器，溫度傳感器，電導傳感器，密度傳感器，他們的距離比較近時， 電導傳感器下面的金屬圈擋住探頭，此時應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，容易造成對反射波的干擾。
（3）超聲波傳感器參數設置不合理
正式錄井前，應該測量好滿灌和空罐的高度和對應的體積，設置好傳感器的最低高度，最高高度，盲區等。
傳感器的所有型號在出廠時都被調試過，測量最大距離時（容器空時）是4mA，最小測量距離時（容器滿罐時）是20mA，同時按下傳感器上的4mA， 20mA兩個鍵，會出現測量最大距離，然后再按傳感器界面上的4mA， 20mA兩個按鍵設定最遠距離， 同時按下傳感器上的4mA， 20mA兩個鍵兩下， 會出現測量最小距離， 再按傳感器界面上的4mA， 20mA兩個按鍵調節距離設定最近距離， 同時按下傳感器上的4mA， 20mA兩個鍵三下，可以設置傳感器的測量盲區， 再按再按傳感器界面上的4mA， 20mA兩個按鍵調節距離設定盲區[2]。
（4）超聲波傳感器信號擾
超聲波傳感器如果安裝在離心機旁邊，離心機不停的攪動，就會對超聲波體積傳感器造成干擾，此時應該遠離攪拌機，重新選擇位置超聲波傳感器的安裝位置超聲波傳感器。
通道有信號干擾，應該接好屏蔽線正確接地，消除電場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，在現場設備安裝時采用了合理布線，使傳感器信號線遠離了動力電纜， 將強、弱信號線電纜分開鋪設，以便盡量減小線間的分布電容，從而消除電場對信號的干擾。[3]。
（5）鉆井液氣泡對超聲波傳感器測量的影響
在某些區塊的鉆井過程中，如果鉆井液中有較多的氣泡，這樣容易造成超聲波測量的不準確，這時候只有建議井隊調整鉆井液性能。
穩定的氣泡產生必需以下條件：分散介質，與分散介質不相溶的氣體，表面活性劑，適當的攪拌條件。對鉆井液而言，這些條件均是具備的，因此，鉆井液起泡現象是常見的，只是起泡程度有大有小而已， 當遇到地層的時候，地層中的各種氣體易擴散侵入鉆井液中。之后就會產生氣泡，處理劑分解產生氣泡。處理劑分解的時候會產生氣體，進而產生氣泡，攪拌時會使空氣進入也會產生氣泡，可以根據情況，加入消泡劑等材料。
（6） 超聲波傳感器性能的下降
任何一個傳感器都有一個使用期限， 使用較長的時間，探頭的靈敏度逐漸會老化，當性能不佳造成測量鉆井液液位波動較大時，應該立即更換新的超聲波傳感器。
3 總結
造成體積波動的原因很多，具體來說也就文中列舉的6條因素，在實際工作過程中可依照上述原因，有效的解決曲線毛刺現象，為鉆井工程提供一個準確的異常預報。
參考文獻
[1]李軍 智能型超聲波液位傳感器及其應用 《中國高薪技術產業》 2009，12，P32
[2]鉆井液液位傳感器說明書 SIMENS PROBE
關鍵詞：物聯網；全自動；電飯煲
中圖分類號：J524 文獻標識碼：A
文章編號：1005-5312（2012）20-0283-01
一、背景技術
基于物聯網概念的全自動電飯煲主要功能包括：電飯煲信號接收端接受用戶通過手機發送的信號，控制電路和機械動作實現電飯煲的自動定量取米、淘米和煮飯過程，溫度和超聲波位移傳感器應對諸如停水、溫度過高等意外情況。此外，應用電子閥門，動作精確穩定，保證電飯煲的整體性能穩定。當人們剛下班或者正在堵車的路上，只需要用手機發送一個短信到該產品的接收端，就能完成對該產品的遠程控制。該自動煮飯機接受到信號后，就能依次完成定量取米、攪拌淘米、壓下煮飯開關等動作。本實用新型電飯煲巧妙地將機電和通信相結合，能提前自動完成淘米、煮飯等功能。能有效節省人們的休息時間，并提高生活質量，十分具有現實意義和應用價值。煲的整體性能穩定。
二、方案設計
（一）機械模塊
機械模塊由預加水模塊、加米模塊、淘米模塊和煮飯模塊組成。
各部分功能如下：為了便于計算米量，當信號接收端接收到信號后，單片機控制電磁閥打開，當水量達到預定高度20mm（通過超聲波傳感器檢測水位），電磁閥關閉，完成預加水。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水位，單片機計算出兩次的水位差，當水位差達到預定值(70mm)，電磁鐵斷電，塞錐自由落下，加米過程完成。淘米模塊由驅動葉片、傳動軸和攪拌葉片組成，當位于頂蓋檢測水位的超聲波傳感器檢測水位達到預設值（90mm），發出信號，通過電路芯片控制電磁閥通電，水進入驅動空間帶動驅動葉片，實現淘米功能；待水位達到預定值（120mm），電磁閥1斷電，電磁閥2通電，將廢水排出，待水完全排出，超聲波傳感器發出信號使該電子閥門關閉，淘米過程完成。這時需要加煮飯用的水，同樣水位高度達到120mm。煮飯模塊主要由電磁鐵2和3、錐形塞組成，實現煮飯功能。待煮飯用水水位 達到120mm，電磁鐵2、3通電，使錐形塞上提，當米水混合物落入鍋中，超聲波傳感器發出信號，通過單片機控制電磁鐵斷電，錐形塞落下。之后，電磁鐵4通電，使煮飯開關打開，觸動開關后，電磁鐵斷電。待米煮熟后，煮飯開關自動跳到保溫檔，煮飯結束。
（二）控制電路
控制電路部分主要包括：物聯網技術應用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模塊實現遠程與家庭中電器的遠程交互并通過指令使在無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處理發出信號進行相應控制，完成該機構的各個動作最后實現煮米功能。通過GSM的SMS功能和GPRS功能實現遠程交互信息傳遞。用戶只需通過手機發送信息或者通過網絡發送消息就能實現遠距離對電飯煲的控制，完成相應功能。當電飯煲的信號接收終端接收到用戶信號，便會進行電飯煲第一個功能控制電磁閥打開進行預加水。傳感器模塊由一個超聲波傳感器和一個溫度傳感器組成，其功能分別如下：超聲波傳感器用于檢測水位高度；溫度傳感器用于檢測控制電路所在區域的溫度，防止因電路故障而引起溫度過高，避免意外的發生和保溫材料失效導致鍋內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水和排水。
三、產品工作流程
當該全自動電飯煲的接收端（SIM卡）接到用戶的短信命令后，首先是電磁閥打開進行預加水，待超聲波傳感器檢測水位達到20mm，該電磁閥關閉，之后單片機控制電磁鐵通電，連接桿上提，使儲米器下端的錐形塞打開，生米從儲米器落入電飯煲主體上部的淘米機中，待超聲波傳感器檢測水位達到90mm，錐形塞下落關閉儲米容器，自動加米動作完成。
關鍵詞：智能移動；機器人平臺；導航技術
移動智能機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上，盡量建立富含動態環境模型的多傳感器融合策略。但是對于移動智能機器人的研究確實需要完整開放性的實驗平臺。因此對于能夠服務工作與生活領域的移動智能機器人的研究具有較高的研究價值。
1移動機器人控制系統控制結構和設計方法分析
1.1移動機器人控制系統控制結構分析
早期的移動機器人由于自主能力較差，往往采用單CPU或者二級CPU主從控制結構。
1.1.1單CPU集中控制結構
所謂單CPU集中控制結構即是指用一臺功能全面且較強的計算機來實現全部的控制功能。但不容置否的是由于多種運算只依靠一個計算機來控制，控制過程中涉及許多計算公式，所以說單CPU集中控制的結構速度還是比較慢的。
1.1.2二級CPU結構，主從式控制結構
這種方法通過把一級CPU作為主機來擔當系統管理的接口功能，與此同時把一級CPU的公用內存來作為二級CPU讀取，這樣一來就可以全部所有的關鍵位置的數字控制功能。但是這兩個CPU總線之間是沒有直接關系的，運轉過程中僅通過公用內存交換數據。
隨著人們對機器人技術的深入研究，機器人的智能性要求也越來越高。20世紀80年代智能控制領域著名學者Saridis提出三層分層式體系結構。分層式體系結構是一種以認知系統為基礎的人工智能模型，能夠提供一種良好智能系統的控制方式和結構，按照此體系結構設計的上下位機二級分布式結構的機器人具有較高的智能性。國外以CMU的NavLab系統和Rover系統為典型代表。博創公司生產的UP-VOYAGERII為國內此類移動機器人平臺的典型代表。在此體系結構下，從信息流上看是串聯關系，系統的控制行為都必須通過感知、規劃、執行等模塊。導致控制行為的延遲和較差的實時性。而機器人在實際工作環境有可能是動態，復雜，非結構化的，要求較高的實時性。當機器人遇到突發障礙物時，可能造成避障失敗。
1.2移動機器人控制系統控制結構設計方法分析
為了使系統具有開放性，易于修改、重構和添加，本系統采用模塊化的設計。共包括三大模塊，各模塊之間通過CAN總線進行通訊。由于CAN總線只規定了物理層和數據鏈路層的協議，并未規定應用層協議，為了使得平臺具有更好的開放性，采用國際標準SDS應用層協議，經過實驗證明SDS協議能夠實現基于混合式體系結構的思想。
超聲測距模塊：8個超聲波傳感器組成1800探測范圍的超聲波環，由8位單片機AT89s52控制超聲波的收發，實現障礙物信息的采集。超聲波環的探測范圍為2cm～3m，能夠實現近距離障礙物的探測。
電機控制模塊：用基于ARM7內核的32位單片機LPC2292作為核心控制器，實現對電機的閉環控制。能直接從超聲測距模塊讀取數據，實現基于行為體系結構的反應式避障。接受規劃層的命令實現基于分層式體系結構智能行為。
筆記本：完成移動機器人視覺定位，地圖建立，路徑規劃等高級智能行為。
2超聲波傳感器環系統設計及移動機器人底層控制系統設計
2.1超聲波傳感器環系統設計分析
為了保證系統的穩定性，CAN控制器和單片機的復位信號由專用的復位芯片MAX708SESA提供。該芯片提供低電平復位和高電平復位兩種復位信號。低電平復位用于單片機和8155復位。高電平復位用于CAN控制器復位。8155只作為IO口擴展用，端子IO/M接VCC。超聲波傳感器的驅動信號為2～5us脈沖，這里通過單片機的IO口P1口來產生驅動信號。8個超聲波傳感器采用分組循環發射的方式啟動超聲波，一次同時驅動四個超聲波傳感器。如果分別采集四路回波信號，實時性難以保證。本系統通過或門電路將四路回波信號整合成一路回波信號，通過外部中斷0通知CPU。外部中斷采用電平觸發方式。傳感器系統的程序包括兩部分，一是驅動超聲波傳感器，并獲得相應的障礙物距離信息。二是通過CAN總線與其它模塊進行通信。
2.2移動機器人底層控制系統設計
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系列單片機使用，同時具有32位處理器速度。ARM嵌入式系統以其優良的性能，良好的移植性，廣泛應用在各個行業。用單片機和DSP實現的系統，采用ARM處理器同樣也可以實現。本文嘗試用菲利普公司生產的基于ARM7內核的LPC2292芯片為底層控制系統的核心芯片。設計一種基于ARM車載嵌入式系統。根據移動機器人總體設計方案，底層控制系統需要具備讀取超聲波傳感器數據實現基于行為的避障。接收規劃層的命令控制移動機器人。對移動機器人實現閉環控制。甚至直接在底層控制系統實現地圖建立，路徑規劃，所以底層控制系統必須具備如下基本模塊：電機調速D/A模塊、光電旋轉編碼器信息采集模塊、通信模塊。
3結語
綜上所述，本文參考中科院CASIA移動機器人設計方案，提出一種基于混合式體系結構的分布式控制系統設計方案，實現了超聲導航移動機器人的軟硬件設計。并在所設計的平臺上研究了在室內環境中如何利用多超聲波傳感器的信息建立環境地圖。希望通過此次理論研究對實際發展起到促進作用。
參考文獻：
[1]李磊.自主輪式移動機器人CASIA-Ⅰ的整體設計.高技術通訊，2013，11（5）：51-54.
[2]蔡自興.移動機器人分布式控制系統的設計.中南大學學報，2015，36（5）：728-730.
[3]范永，潭民.C器人控制器的現狀與展望.機器人，2015.21（1）：75-78.
你猜？有許多錢？不對！有新朋友了？不對。讓我告訴你吧，輕輕地，不要給別人聽見，只悄悄地給你說：我有一個機器人啦！
這個機器人是爸爸上個月從美國給我帶回來的。
拆開包裝，我就迫不及待地拼裝起機器人來。拼完之后，我仔細地打量起它來。它呈長方形，外科是由發光的硬塑料制成，在燈光的照射下，泛出紅、黃、藍、綠、紫5種顏色。超聲波傳感器很靈，一碰到桌椅就會巧妙地躲開。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定的顏色后才會后退，而超聲波傳感器先發射超聲波，碰到物體會返回，它就不會撞墻了。
其他的大小零件就更多了，像觸摸傳感器、彩色電板、彩球發射器等，一共有好幾十個呢！
【關 鍵 詞】AT89S51單片機， nRF24L01， 超聲波傳感器，GFSK
【中圖分類號】G71【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0259-02
1 前言
由于需要測量的水池或水塔與控制室有相當長的距離，常常需要架設上百到近千米的輸電和控制線路，費用大。給測量和控制帶來了極大的不方便。本系統利用單片機的無線測量和自動控制系統完成了不需要架設電纜和實現水位的遠程自動控制和遙測，對于工業生產和生活有極大的實用價值。
2 原理框圖
應用單片機控制的水位遙測自控系統的原理框圖如圖1所示：
以AT89S51單片機為主要控制核心，構建成兩個無線短矩離通信數字電臺，利用軟件控制水位傳感器測量出實時的水位信息。而數據的無線傳送應用Nordic公司的高速無線單片無線射頻芯片nRF24L01通GFSK調制以最高達1Mbit/s的速度快速發送出去。通過設置主控制站的鍵盤可以遠程設置水位的上下限，主控制站采用易于人機交換的LCD1602作為數據顯示。采用單片機設計具有成本低、效益高的優點。另外，單片機控制系統的靈活性和程序的可移植性好。
鍵盤：采用獨立式鍵盤，AT89S51的I/O口具有位驅動能力，而且所用按鍵數目不多，可以通過單片機軟件利用查詢或中斷方式簡單地實現各種控制。考慮到該控制軟件系統和硬件系統都比較復雜，CPU需要驅動較多的電子器件，要利用到單片機內部的資源較多，所以采用獨立式鍵盤顯示模塊：使用專用的LCD1602顯示驅動器和LCD1602顯示模塊。LCD1602顯示模塊通過接口接收顯示命令和數據，并按指令和數據的要求進行顯示。LCD顯示模塊一般帶有內部顯示RAM和字符發生器，只要輸入ASCII碼就可以進行顯示而且不用一直掃描顯示，可以減輕CPU的工作負擔，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量超聲波在空氣中行走時間來計算液位的實時高度。因為超聲波測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩定地顯示測量結果，而且超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求。而且它的造價也不高，且安裝方便，實用性好。本設計屬于近距離測量，采用常用的壓電式超聲波換能器來實現。超聲波因其方向性好、測量精度高，已廣泛應用于液位、流量、物距等方面的檢測。本系統采用單片機輸出40KHZ的方波經過74HC04所組成的幾個與非門放大發射出去，經過一定時間延時以后再打開外中斷。CX20106A接收到40KHz的信號時，會在第7腳產生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差T，然后求出距離S。在速度V已知的情況下，距離S的計算，公式如下為S=VT/2
遠程測量與控制：采用無線RF射頻模組進行數據傳輸。采用Nordic公司的收發一體的無線RF芯片nRF24L01，通過簡單的幾個外部連接元件可以實現最高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無線傳送出去，還以實現自應答和自動重發。其操作簡單，成本低，且能夠滿足本設計要求。
3 總體硬件系統電路設計
主測控站系統設計原理詳圖如圖2 所示：
從測控站系統設計原理詳圖如圖3 所示：
4 系統軟件流程圖
（1） 測控站主程序流程圖如圖4所示：
（2） 超聲波測距流程圖如圖5所示：
（3） 主控站流程圖如圖 6所示：
（4） 無線發射流程圖如圖7所示：
5 結論
本水位遙測自動控制系統對于小型水泵的控制采用慢速汲水，以確保超聲波傳感器測量的精度和水位控制的精度，在測量水位時，安裝超聲波傳感器時要離容器正上方一定高度按裝，以消除超聲波測量的盲區。本系統是安裝在容器正上方十厘米處。整套設備結構簡潔，操作方便，具有比較好的穩定性，能夠精確的測量液位，遇警時能自動調至正常，并且可以在允許范圍內任意設定液位。通過按鍵可以在允許范圍內任意設定水位報警的上下限，使得裝置更加智能化。
參考文獻
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關鍵詞：智能車輛；環境感知；傳感器；多傳感器信息融合
中圖分類號：E91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 14-0026-01
一、前言
隨著社會的進步，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。汽車數量的快速增長造成了公共交通效率低下、交通事故頻發。建立起現代化的智能交通系統便被提到日程上來。智能車輛（Intelligent Vehicles， IV）作為智能交通系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要組成部分，也是系統的運行主體，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，由于眾多優點，該技術的研究日益受到國內外相關機構的關注。
智能交通系統能夠有效緩解交通壓力，合理調配公共交通資源和道路資源。基于機器傳感技術和控制技術，駕駛系統采用信息傳輸技術和計算機視覺技術監測道路路面、交通標志、其他車輛、行人以及交通事故等道路環境狀況，有效保證智能車輛在各種路況下的安全行駛，并能對一些異常狀況進行及時處理。在過去的10多年里，相關技術取得了很大的進步，有些國家已經成功開發了一些基于視覺的道路識別和跟蹤系統。其中，具有代表性的系統有：LOIS系統、GOLD系統、RALPH系統、SCARF 系統和ALVINN系統等。從這些先進技術的應用便可看出，感知外部環境模塊是智能車輛的核心技術。
二、環境感知傳感器在智能車輛上的應用現狀
智能車輛在道路上暢行離不開相應的傳感技術，其中最重要的是道路環境感知模塊，該模塊將先進的通訊技術、信息傳感技術、計算機控制技術結合起來系統利用。智能車輛系統主要有環境感知模塊、分析模塊、控制模塊等部分組成。環境感知傳感系統主要由機器視覺識別系統、雷達系統、超聲波傳感器和紅外線傳感器組成。
（一）機器視覺識別系統
機器視覺識別系統是指智能車輛利用CCD等成像元件從不同角度全方位拍攝車外環境，根據搜集到的視覺信息，識別近距離內的車輛、行人、交通標志等。機器視覺也有其弱點，容易受到環境的影響，在能見度較低時效果不理想，因此，在傳感器類別中屬于被動型。與雷達系統相比較，視覺識別系統價格低廉，一輛車上可以安裝多處，監測范圍更大，搜集道路信息更為全面，通過對其所得的圖像進行處理可以識別、檢測周圍路況，這些也是主動型傳感器無法替代的。所以越來越多的人對利用機器視覺感知車輛行駛環境產生很大的興趣，該系統在現實生活中隨處可見，普及率最高，機器視覺在智能車輛研究領域得到廣泛的應用， 成為最受歡迎的傳感器之一。
（二）雷達系統
雷達系統是一種主動型傳感器，利用微電磁波探測目標距離、速度、方位等。雷達不需要復雜的設計與繁復的計算。雷達系統的使用不受光線、天氣等因素干擾，無論是白天還是黑夜，晴天或者下雨，雷達系統都能夠正常運轉。由于雷達是靠電磁波反射原理來工作的，這會導致相近的不同雷達間電磁波相互干擾而影響工作效能。但是，瑕不掩瑜，由于雷達在準確提供遠距離的車輛和障礙物信息方面有著得天獨厚的優勢，因此在車輛的防碰撞系統中有著廣闊的應用前景。
（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方法的傳感器。使用超聲波探測得來的的數據處理簡單、快速，超聲波傳感器可以發射定向長生波，能夠在較小范圍內檢測到物置。這種技術在醫學應用上比較廣泛和成熟。汽車工業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。這種系統利用一片單片機進行控制，超聲波遇到障礙反射回傳后，根據傳感器探測距離發出不同的提示音。
（四）紅外線傳感器
紅外線傳感器是利用紅外線來進行測量工作的傳感器，技術更加先進。紅外線傳感器不受黑暗、風、沙、雨、雪、霧的阻擋，環境適應性好，且功耗低。這些特點使它遠超其他傳感器。與超聲波傳感器相比，反應速度更快，探測范圍更廣，由于其探測視角小，方向性和測量精度有所提高。與機器視覺結合使用，紅外線傳感器可以增強機器視覺識別的可靠性，使黑夜如同白晝，因此常被用于智能汽車中的夜視系統中。
三、多傳感器的綜合利用
在復雜的路況環境下，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境的全面描述，因此設計智能車輛必須配置多種傳感器。例如夜間行駛時紅外線傳感器是必不可少的；而停車、倒車時主要使用超聲波、雷達探測周邊障礙物的遠近；機器視覺除日常應用外與其他傳感器結合起來可以使得智能車輛駕駛安全性更加可靠。
隨著計算機信息技術、通信技術、控制技術和電子技術的進步，智能車輛技術研究中多傳感器信息融合技術的應用取得了許多令人振奮的成果。如車載系統互聯技術、歐洲的Peugeo系統、美國的IVHS系統等。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，在正常的路況環境下，采用彩色攝像機與激光傳感器聯合感知道路表面和定位道路邊界。這些技術經過不斷改進，相信在不久的將來引起汽車工業的革命。
四、結語
在智能車輛的環境感知模塊技術研究中，傳感器是智能車輛控制系統的關鍵。如何使傳感器技術更好的應用到汽車行業上來，未來將成為傳感器技術研究領域的一個發展方向。
整合各種類型的傳感器技術，使其為智能車輛提供更加真實可靠的路況環境信息，對智能汽車技術的發展來說是至關重要的。由于實際的應用環境所得到信息大多數都是不確定信息，傳感器回饋信息融合還原真實路況還有很大的困難。
縱觀全球，我國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。但隨著我國社會經濟的發展，汽車保有量不斷膨脹，嚴峻的交通現狀迫使我們把發展智能交通盡早提到日程上來，只要我們勇于創新，結合我國具體國情，不斷進行深入、細致的研究，我國智能化交通必能早日實現。
參考文獻：
關鍵字 FPGA；超聲波；霍爾傳感器；剎車系統
中圖分類號U46 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2014）111-0081-03
0 引言
伴隨著社會經濟的發展，有車一族正變得日益龐大，但與此同時，交通事故的發生也變得更加頻繁，許多駕駛員因此失去了寶貴的生命。而根據交通部門的最新統計，大部分事故的發生是由于車主無法及時剎車，結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計了一種自動剎車系統。
1 系統原理及組成
如圖1所示，本系統主要包括三大模塊：測量模塊，數據分析處理模塊和自動剎車模塊。
圖1 系統原理框圖
1）測量模塊
這一部分主要是用來實時獲取當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得。
2）數據分析處理模塊
數據分析模塊是對測得的速度和距離參數進行分析和處理。本模塊內的相關軟硬件將這些信息進行識別分類、分析以及計算等綜合處理，得到的是汽車行駛的具體數據，比如與前車或障礙物的距離，車速的大小等參數，這些數據會作為是否自動剎車的重要參考，而這一切功能主要都是通過FPGA來實現。
3）自動剎車模塊
自動剎車部分是對前面分析的數據進行建模，根據模型來判斷汽車的行駛速度與狀態，對當前的行駛狀況進行分析，進而判斷車輛是否超速，是否超過安全距離等，然后反饋給駕駛人供參考，必要時候會有語音報警提醒以及超時后自動剎車等操作。該模塊包括語音報警電路和剎車控制單元。
2 硬件設計
圖 2 系統硬件設計方案
2.1 傳感器
傳感器是將某種不易進行數據分析的信號轉化為分析處理的如電信號，在本文中主要用到了檢測距離的超聲波傳感器和檢測車速的霍爾傳感器，由于距離有前后，所以一次需要兩個超聲波傳感器進行車前和車后的檢測，霍爾傳感器需要安裝在車身底盤檢測車速，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中數據處理分析的核心，主要功能是對汽車檢測的信號進行分析處理，得到車距以及車速等數據，并對其進行建模判斷車況狀態。微型處理器在當前常用主要有ARM芯片、DSP芯片、FPGA芯片等，ARM類似單片機，控制管理較強，主要體現在控制功能上，DSP數據處理能力強，運行速度快，而FPGA靈活性更好，可重復性高，實時性好，本文根據分析后采用FPGA芯片進行處理。FPGA芯片主要負責完成數據處理模塊和自動剎車模塊的相關功能，它具有運行速度快、執行效率高、并行處理和可靠性好等突出優勢。
本系統采用的是臺灣友晶公司的DE2-115系列開發板，該開發板主芯片型號為Cyclone IV EP4CE115F29，它包含114，480個邏輯單元，432 M9K的內存模塊，3，888 Kbits的嵌入式存儲器位以及4 個鎖相環，在存儲配置方面，也極其豐富，完全滿足本次系統設計的需求。
2.3 語音報警電路
語音報警電路的作用是：當汽車的行駛狀況達到設定的標準時會產生報警信號警示駕駛人，這里的電路中運用的美國ISD公司的2500系列專業語音芯片，根據錄放時間有不同的型號，ISD2500是DIP封裝，片內E2PROM能達到480k的容量，十根地址線，能尋址1024位，錄音時間長，支持分段錄音，音質好，支持抗斷電特點，并且內部集成了功放電路，因此可以直接驅動揚聲器，圖5為ISD2500的基本電路圖。
圖5 語音報警電路
3 軟件設計
3.1 系統軟件流程
圖6表示的是自動剎車的流程圖。軟件流程通過兩個方面同時監控實現，一方面判斷距離是否達到報警距離，如果達到報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警提示駕駛人，等待操作減速，如果駕駛人并未作出任何操作，等到距離小于安全距離后系統會自動剎車；另一方面判斷汽車距離的相對速度是否大于報警速度，如果大于報警速度會繼續判斷是否大于安全速度，如果沒有則先報警等待駕駛人操作，如果車速繼續增加甚至大于安全速度時候則會強行剎車，以保證駕駛員的安全。
圖6 自動剎車流程圖
3.2 系統初始化
如圖7所示，系統初始化是對汽車的數據分析計算得到相關結果。初始化后會檢測到自車速度、前車速度以及車距，并實時的監測，根據兩者的車速可以計算出相對速度，再根據車距等參數進行建模分析得到報警距離d1，安全車距d2，報警速度速度v1，安全車速v2，每一次實時的檢測都會更新d1，d2，v1，v2，實現系統的初始化。
圖7 系統初始化示意圖
3.3 車距和車速計算
1）超聲波測距：超聲波測距主要是利用它的的強反射性能，大致工作原理如圖8所示。 在接收到電信號后，FPGA芯片即可計算出前車與本車之間的相對距離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）；t為超聲波從發射到接收所用的時間。由于角度幾乎為0，故上式可變為H=1/2*Vt 。
圖8 超聲波測距原理圖
2）霍爾傳感測速：在利用霍爾傳感器進行車速測量的過程中，還需用到鐵質齒輪。如圖9所示，當車輪轉動時 ，測速齒輪也會隨之轉動，進而引起齒輪和霍爾原件之間的磁通密度發生變化 ， 傳感器一旦檢測到這種變化就會馬上輸出一個脈沖信號，汽車的速度就可以通過測量脈沖的頻率而得出。 具體計算公式為 : V =C*n，其中V為汽車的車速 ， C為車輪周長，n為汽車轉速。
圖9 霍爾傳感器測速裝置示意圖
3.4 安全車距計算模型
假設系統認定的安全距離為d1，也即是在當前車速下，本車與前車間距不小于d1的時候才能保證安全；由于不同速度下的安全距離值不一樣，所以d1的數值是在不斷變化的。根據汽車制動的幾個過程，我們需要考慮以下幾個時間參數，包括反應動作時間tf ，制動協調時間tx，減速度增長時間和持續制動時間tz ，那么安全車距的計算模型則如式(3.3)所示：
(3.3)
上式中，V0 是剎車瞬間車輛的速度。考慮不到實際車況和其他因素，安全車距的計算模型如式（3.4）：
(3.4)
其中VA 為前面車輛的車速。
4 結論
按照前面的設計思路，可以搭建出一個相對簡單的自動剎車系統。對于該系統，我們進行了多次實車驗證，實驗結果表明：該系統能夠有效且穩定的實現汽車的自動剎車功能，完全符合設計預期。
參考文獻
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