超聲波測距傳感器以其測量精度高、響應(yīng)快和價格低廉而廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場測距、移動機器人導(dǎo)航和定位等場合。超聲波測距傳感器常用的方式是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。 它們共同之處是：每個接收頭只測量一個位置，這個位置就是除盲區(qū)內(nèi)因發(fā)射的超聲波旁瓣引起的接收信號超聲波包絡(luò)峰值外，第1個接收信號超聲波包絡(luò)峰值對應(yīng)的距離。 在機器人自主導(dǎo)航避障時，機器人只關(guān)心最近障礙物的距離，是能夠完成自主避障的。 但是在機器人定位時，尤其在動態(tài)環(huán)境下，1 個接收頭同時測量多個距離，能夠更多地描述環(huán)境信息，這對機器人用超聲波定位具有重要意義。

1 超聲波

1. 1 超聲波測距原理

超聲波測距原理比較簡單，一般是采用時差法。即：通過檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時間差Δt ，求出障礙物的距離d ，計算公式為： d = cΔt/ 2 ，其中：

c 為超聲波波速， T1 為環(huán)境攝氏溫度。

1. 2 發(fā)射信號超聲波包絡(luò)

在發(fā)射頭兩端加40 kHZ 的矩形脈沖電壓， 壓電晶體把電能轉(zhuǎn)變成機械能，帶動其上振動板運動，見圖1. 振動板的固有頻率是40 kHZ，由于共振，振動板很快起振，然后穩(wěn)定， 脈沖電壓撤銷， 振動板作阻尼振蕩衰減。 若振動板長時間工作在最大振幅狀態(tài)，即振動板新增能量與其損耗能量相等，這樣產(chǎn)生的超聲波能量大，有利于提高信噪比，但是接收信號超聲波包絡(luò)從起振到峰值的時間將變長（放大器增益小，不出現(xiàn)削頂?shù)那闆r下） ，不利于閾值選擇，誤差變大，也不利于第二個位置的測量，另外盲區(qū)也會增大。 振動板振動時，空氣、壓電晶體（起振時是激勵）等消耗振動板能量， 其中受空氣阻力消耗的能量轉(zhuǎn)變成發(fā)射超聲波。 壓電晶體激勵撤銷，則振動板振動作阻尼呈指數(shù)關(guān)系衰減。 把振動板簡化成是一個彈簧振子，設(shè)振動板在一個正弦周期（ T = 25μs） 內(nèi)是標準正弦波，則在發(fā)射頭振動板運動周期數(shù)n ≤發(fā)射頭激勵脈沖數(shù)N 時，發(fā)射頭振動板運動滿足：

x = A （ n） sinωt （1）

式中t ∈［ （ n - 1） T ， nT ］ ， A （ n）是第n 個周期內(nèi)的振幅。

k 是常數(shù)， E（ n） 是第n 個周期內(nèi)振動板的機械能。

a 是一個與衰減有關(guān)的常系數(shù)， Ef （ n） 第n 個周期內(nèi)振動板損耗的機械能。

ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。

在n 》 N 時， 發(fā)射頭振動板運動能量滿足：

1. 3 接收信號超聲波包絡(luò)

發(fā)射頭產(chǎn)生的超聲波遇到不同介質(zhì)就會產(chǎn)生回波，接收頭把回波轉(zhuǎn)變成電能，產(chǎn)生接收信號。 現(xiàn)分析超聲波垂直入射到墻壁面時的接收信號，接收信號超聲波包絡(luò)由起振階段和衰減階段兩部分組成，如圖1。

接收信號與回波超聲包絡(luò)的各正弦波幅值關(guān)系是：

式中W R 是接收信號包絡(luò)峰值，W Echo 是回波包絡(luò)峰值， H 是回波的單位沖擊響應(yīng)。

圖1 實際接收信號（ N = 5）

從圖1 中可看出， 接受信號包絡(luò)從起振到峰值的時間要小于從峰值衰減至噪聲幅值的時間。 實際總長度接近1. 5 ~ 2 ms ，而從起振到包絡(luò)峰值只需250μs 左右，即9 ~ 12 個T ， T = 25μs.

根據(jù)發(fā)射的超聲波能量特點， 得出接收信號每個周期能量的表達式， 設(shè)每個周期內(nèi)的正弦波是標準正弦波且發(fā)射頭振動板尚未達穩(wěn)定振動狀態(tài)。

N 是發(fā)射頭激勵脈沖數(shù)。

由（6） 、（7） 式知：在N ， a 一定的情況下，每個反射面產(chǎn)生的回波作用接收頭得到的接收信號經(jīng)歸一化后是相同的。 為了便于取閾值，分析接收信號包絡(luò)的特性與n、N 的關(guān)系是必要的。 首先找出定值a ，方法是取N = 5 ， a值在一定范圍內(nèi)變化得到多幅仿真圖，經(jīng)比較a = 5 000/ s 時得到的圖2 與圖1 接近。 根據(jù)得到的a值可仿真N = 12 時的接收信號，見圖3.

圖2 接收信號仿真（ N = 5 ， a = 5 000/ s）

圖3 接收信號仿真（ N = 12 ， a = 5 000/ s）

2 閾值和分辨率

閾值的選取，決定本測距系統(tǒng)的測量精度。 由于回波的能量大小受入射角、反射面大小、形狀和材質(zhì)、空氣的濕度和溫度等因素決定，為了較精確地測量文獻中機器人與墻壁之間的距離，下面只針對超聲波垂直入射墻壁，接受信號的大小進行分析。

在測量時，一旦有干擾物擋住超聲波到墻壁的行進路徑，則墻壁返回的信號將減弱，過高的閾值可能測不到墻壁回波信號，動態(tài)閾值因無規(guī)律可循而無法使用，故此閾值采用小固定值，因接收信號中的噪聲峰值較穩(wěn)定，固定閾值取3~5 倍噪聲峰值。 由于墻壁回波信號不確定地高低變化，在標定測量參數(shù)時，用示波器采集信號，以接收信號包絡(luò)峰值的0. 5 倍處（即圖2 中n = 4 或5 處的時間） 作為距離信息。 這樣處理的目的是： 即使接收信號過強或過弱，測距誤差始終在3~5 cm 以內(nèi)。 當N 過大時，盲區(qū)會增大同時測量精度也會下降，見圖3.

多目標測量要能區(qū)分出兩個不同目標。 由于閾值取得小，則系統(tǒng)的分辨能力很差，從圖2 上可看出接收信號經(jīng)1. 5 ms 后正弦幅值是包絡(luò)峰值的0. 015倍。 圖2 的波形只有在超聲波垂直入射墻壁時才能得到，在大多數(shù)情況下接收信號從起振到包絡(luò)峰值基本固定，但是接收信號從包絡(luò)峰值以后各不一樣，一般從起振經(jīng)1. 5 ms~2 ms 后都會降到閾值以下。

在測量墻壁距離時，只要干擾物與墻壁保持30 cm以上距離則墻壁距離能較精確獲得。

3 系統(tǒng)硬件

C8051 系列單片機具有豐富的模擬、數(shù)字外設(shè)和多種總線接口，支持在線編程，是很多測控系統(tǒng)的首選。系統(tǒng)硬件框圖如圖4 ，C8051F021 有5 個定時器，5 個PCA 通道，測4 個方向的超聲波傳感器發(fā)射頭可共用1 個40 kHz 方波信號，實行同步發(fā)射;4 個接收頭可接入PCA 的4 個通道。 信號放大電路的放大倍數(shù)在800 左右，即使接收信號經(jīng)過帶通濾波器，噪聲峰值也達30 mv.

圖4 單接收頭多目標測量電路框圖

圖5 用示波器標定系統(tǒng)（只有一個發(fā)射頭和一個接收頭）

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件基本構(gòu)架如下：

void main （）

{ cONfig （） ; EA = 1 ; While （1） {} ; }

void time0_inter （） interrupt 1 {}

void time1_inter （） interrupt 3 {}

void time2_inter （） interrupt 5 {}

void time3_inter （） interrupt 14 {}

void time4_inter （） interrupt 16 {}

void PCA_inter （） interrupt 9 {}

初始化程序config （） ： I/ O 交叉開關(guān)配置;使用外部時鐘，指定系統(tǒng)時鐘;time 0~4 中斷使能，其中time 0 溢出中斷發(fā)生，產(chǎn)生40 kHz 方波信號輸出;PLA 中斷開啟。

中斷函數(shù)time0_inter （ ） ：產(chǎn)生5 個40 kHz 方波信號輸出后關(guān)閉time0 中斷， TF0 = 0 ; PLA 溢出、邊緣捕捉中斷開啟。

中斷函數(shù)PCA_inter （） ：若是溢出中斷發(fā)生（30ms） ，則關(guān)閉PCA_inter （ ） 中斷，CF = 0 ，開啟time0中斷;若是CCFn = 1 ，則記下定時器時間（與初值相減后代入標定式得距離） ，給定time n 計時初值并啟動time n 溢出中斷（ 2 ms） ， 關(guān)閉CCFn 中斷，CCFn = 0.

中斷函數(shù)time1 _inter （ ） ~ time4 _inter （ ） ： 當time n 中斷發(fā)生則開啟CCFn 中斷，關(guān)閉time n 中斷， TFn = 0.

5 結(jié)語

本文對單個接收頭在一次采樣時間（30 ms） 內(nèi)測量多個目標進行了嘗試，仿真并分析了接收信號波形，用0. 5 倍包絡(luò)峰值標定而用小閾值測量，在2個目標與接收頭距離之差大于30 cm 以上時能較精確測量出2 個目標，誤差不超過2 cm.

由于一次能在同一時刻測多個距離，增大了超聲波傳感器捕獲的信息量，移動機器人裝配了該傳感器能在人員不是密集的動態(tài)環(huán)境下根據(jù)4 面墻壁定位。