雙接收頭在智能小車系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

超聲波傳感器因其測量精度高、 響應(yīng)快和價格低廉而得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)應(yīng)用方式是1 個發(fā)射頭對應(yīng)1 個接收頭 ，也有多個發(fā)射頭對應(yīng)1 個接收頭。但我們在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果障礙物的面很大(如墻壁)，超聲波傳感器可以用來準(zhǔn)確測距，但若將其應(yīng)用在小車防撞系統(tǒng)中，由于障礙物呈柱狀，而超聲波發(fā)射頭有一定的散射角(左右)，因此即使障礙物不在小車正前方，超聲波仍能檢測到斜前方回波，這就給智能控制車輛行進帶來困難和誤導(dǎo)，為了解決這一問題，我們提出了一種使用雙接收頭的方案，并從實用角度給出了一套具體控制策略。

2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程設(shè)計

我們的整個系統(tǒng)需要完成測距，測速，定位，控制小車運動等功能，系統(tǒng)包括如下六部分： 超聲波發(fā)射電路， 超聲波接受電路，信號處理器，溫度測量，小車控制電路等五部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示：

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過單片機產(chǎn)生40k 的方波，經(jīng)過放大后驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射頭，從而發(fā)出超聲波，遇到前方物體反射后由接收端捕捉，經(jīng)過對兩個接收頭捕捉時間的計算以及加入溫度補償，判斷最終前方小車的方向與距離，再通過與前次數(shù)據(jù)差分計算出其相對前車的速度，最后通過速度、距離以及位置三個數(shù)據(jù)進行智能控制，控制小車轉(zhuǎn)彎或減速慢行等。

具體的硬件組成為：MCU 采用AT89S52 單片機，P1.0 口輸出超聲波換能器所需的40K 方波信號，經(jīng)過反相器7404 后驅(qū)動傳感器，為了能使超聲波發(fā)射得更遠(yuǎn)，我們并接了三個發(fā)射頭，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號，回波檢測采用紅外檢測集成芯片CX20106，顯示電路采用簡單的4 位共陽LED數(shù)碼管，斷碼用74LS244，位碼用8550 驅(qū)動。測溫部分使用18B20 測出當(dāng)前的環(huán)境溫度用以判斷出超聲波傳播的速度。

3 MCU 算法控制

3.1 距離計算與方位判斷

單片機可以計算出發(fā)射與接收到超聲波之間的時間，根據(jù)測溫系統(tǒng)的實際測溫， 查找出在該對應(yīng)溫度下的聲速，計算出反射物距離兩接收端的距離。 理論上由以上兩個數(shù)據(jù)上就可以直接數(shù)學(xué)推導(dǎo)出該物體的空間位置(如圖2 和公式一、二所示)。

圖2 超聲波傳感器空間方位

其中d 為R1 與R2 的距離，z1、z2 分別為物體到各個接收端的距離 ，如果直接這樣計算就會過于復(fù)雜，普通單片機處理的話耗時較多， 于是我們提出了一種基于計算二者距離差來大致判斷物體位置的方法。一般來講小車只關(guān)心在車前方的物體，我們設(shè)定一個距離參數(shù)l代表前方障礙物與小車的水平距離，再設(shè)定一個距離參數(shù)h，代表前方障礙物與小車的垂直距離。我們可以由下面的關(guān)系推導(dǎo)出h， l， d與z2-z1的關(guān)系(公式3---公式6)。