專利名稱：：一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，屬于機(jī)器人傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：超聲波傳感器具有信息處理簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作機(jī)器人測距傳感器，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境探測和導(dǎo)航任務(wù)。超聲波測距利用的是超聲波近似直線傳播和反射的特性，目前常用的測距方式是單脈沖方式。超聲波換能器在單脈沖的觸發(fā)下將超聲波發(fā)射出去，超聲波在介質(zhì)中傳播到被測物體后被反射。超聲波換能器接收到反射回波信號(hào)，確定出超聲波從發(fā)射到接收的渡越時(shí)間，超聲波傳播的速度用340m/s近似代替。特種機(jī)器人常常工作在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，在實(shí)際測距過程中，環(huán)境中溫度、濕度、氣壓對(duì)超聲波的傳播速度都會(huì)產(chǎn)生影響，其中溫度變化的影響最大，因此用340m/s近似代替超聲波傳播的速度會(huì)引入誤差；其次超聲波回波信號(hào)是一個(gè)調(diào)制信號(hào)，無明確的回波信號(hào)前沿，因而在確定渡越時(shí)間的過程中，其基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇己構(gòu)成測量誤差的主要來源；在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，噪聲與回波同時(shí)被接收，即使電路中帶有濾波電路，與脈沖頻率相近的噪聲依舊無法濾除，這將造成誤觸發(fā)；上述問題己成為制約超聲波傳感器在特種機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，來解決在實(shí)際測距過程中，環(huán)境、超聲波回波信號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇、噪聲干擾等因素對(duì)傳播速度測量影響大的問題。本發(fā)明提供的一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括渡越時(shí)間確定模塊、超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊。1)、渡越時(shí)間確定模塊主要包括超聲波發(fā)射換能模塊、超聲波接收換能模塊、超聲波發(fā)射電路模塊、回波接收、放大、濾波電路模塊和嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSPTMS320VC5509A);嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊內(nèi)部的運(yùn)算程序包括m序列發(fā)生模塊、本地碼發(fā)生模塊、m序列還原模塊和相關(guān)判決模塊等；超聲波發(fā)射換能模塊通過超聲波發(fā)射電路模塊與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊相連，超聲波接收換能模塊通過回波接收、放大、濾波電路模塊與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊相連，超聲波發(fā)射換能模塊與超聲波接收換能模塊發(fā)射、接收方向平行且緊密相鄰。渡越時(shí)間確定模塊的工作過程如下-基于偽隨機(jī)序列的自相關(guān)性原理，由嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過m序列發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列經(jīng)通用I/O引腳輸出，激勵(lì)超聲波發(fā)射電路模塊將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)，通過超聲波發(fā)射換能模塊發(fā)射出去，超聲波經(jīng)障礙物反射到超聲波接收換能模塊，通過回波接收、放大、濾波電路模塊將其濾波、放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入給嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊的m序列還原模塊，m序列還原模塊將其還原成對(duì)應(yīng)的離散序列，與本地碼發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列通過相關(guān)判決模塊的相關(guān)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)相關(guān)函數(shù)值取值最大時(shí)，通過本地偽隨機(jī)序列與接收到的偽隨機(jī)序列的相位差便可確定障礙物與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間。2)、超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊主要包括長方體目標(biāo)、超聲波發(fā)射換能模塊、超聲波接收換能模塊、超聲波發(fā)射電路模塊、回波接收、放大、濾波電路模塊和嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊；嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊內(nèi)部的運(yùn)算程序包括m序列發(fā)生模塊、本地碼發(fā)生模塊、m序列還原模塊和相關(guān)判決模塊等；超聲波發(fā)射換能模塊通過超聲波發(fā)射電路模塊與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊相連，超聲波接收換能模塊通過回波接收、放大、濾波電路模塊與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊相連，超聲波發(fā)射換能模塊與超聲波接收換能模塊發(fā)射、接收方向平行且緊密相鄰，長方體目標(biāo)固定于超聲波發(fā)射換能模塊與超聲波接收換能模塊前端，距離為d(30cm〈d〈lm)。超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊的工作過程如下-基于偽隨機(jī)序列的自相關(guān)性原理，由嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過m序列發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列經(jīng)通用I/O引腳輸出，激勵(lì)超聲波發(fā)射電路模塊將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)，通過超聲波發(fā)射換能模塊發(fā)射出去，超聲波經(jīng)長方體目標(biāo)反射到超聲波接收換能模塊，通過回波接收、放大、濾波電路模塊將其濾波、放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入給嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊的m序列還原模塊，m序列還原模塊將其還原成對(duì)應(yīng)的離散序列，與本地碼發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列通過相關(guān)判決模塊的相關(guān)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)相關(guān)函數(shù)值取值最大時(shí)，通過本地偽隨機(jī)序列與接收到的偽隨機(jī)序列的相位差便可確定長方體目標(biāo)與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間，計(jì)算長方體目標(biāo)距超聲波換能模塊的距離值d與渡越時(shí)間比值的二倍便為超聲波傳播速度。通過渡越時(shí)間確定模塊來測量障礙物與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間，通過超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊來測量機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)際聲波速度，應(yīng)用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過計(jì)算渡越時(shí)間和超聲波傳播速度乘積值的一半得出機(jī)器人距離障礙物的距離。本發(fā)明的一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)的測距有效值范圍是0.3m8.9m。本發(fā)明的有益效果-(1)增加了超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊，該模塊基于偽隨機(jī)序列的自相關(guān)性準(zhǔn)確地測量渡越時(shí)間后，再利用模塊中目標(biāo)物體與超聲波換能模塊距離己知的條件，計(jì)算出超聲波的傳播速度。克服了傳統(tǒng)超聲波測距傳感器因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣入S溫度、壓強(qiáng)的變化而造成誤差的缺點(diǎn)。(2)采用基于偽隨機(jī)序列自相關(guān)性原理測量渡越時(shí)間，有效地提高了渡越時(shí)間測量的精度，消除了噪聲的干擾。(3)采用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊處理信號(hào)，有效地提高了信息處理的實(shí)時(shí)性。(4)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，功能可靠，可廣泛應(yīng)用于各種特種機(jī)器人。該系統(tǒng)對(duì)于提高特種機(jī)器人的探測能力，增加機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的適應(yīng)能力具有重要的作用，可進(jìn)一步擴(kuò)大特種機(jī)器人在民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用。圖l是渡越時(shí)間測定的工作原理圖；圖2是超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量的工作原理圖；圖3是超聲波測距裝置的外觀結(jié)構(gòu)圖；圖4是超聲波測距裝置在特種機(jī)器人上應(yīng)用的示意圖；圖中，1—障礙物，2—超聲波發(fā)射換能模塊，3—超聲波接收換能模塊，4一超聲波發(fā)射電路模塊，5—接收、放大、濾波電路模塊，6—m序列發(fā)生模塊，7—本地碼發(fā)生模塊，8—m序列還原模塊，9一相關(guān)判決模塊，10—嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊DSPTMS320VC5509A，ll一長方體目標(biāo)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以測試環(huán)境溫度為25.3'C，壓強(qiáng)為1007.6Hpa，相對(duì)濕度為15%為例，取不同的實(shí)際距離進(jìn)行測量，檢驗(yàn)本發(fā)明的誤差。測量具體步驟如下(1)通過渡越時(shí)間確定模塊來測量障礙物與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間。如圖1所示，超聲波發(fā)射換能模塊2通過超聲波發(fā)射電路模塊4與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊10相連，超聲波接收換能模塊3通過回波接收、放大、濾波電路模塊5與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊10相連，超聲波發(fā)射換能模塊2與超聲波接收換能模塊3發(fā)射、接收方向平行且緊密相鄰。由嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊10通過m序列發(fā)生模塊6產(chǎn)生的m序列通過通用I/O引腳輸出，激勵(lì)超聲波發(fā)射電路模塊4將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)，通過超聲波發(fā)射換能模塊2發(fā)射出去，超聲波經(jīng)障礙物1反射到超聲波接收換能模塊3，通過接收、放大、濾波電路模塊5將其濾波、放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入給m序列還原模塊8，m序列還原模塊8將其還原成對(duì)應(yīng)的離散序列，與本地碼發(fā)生模塊7產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列通過相關(guān)判決模塊9的相關(guān)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)相關(guān)函數(shù)值取值最大時(shí)，通過本地偽隨機(jī)序列與接收到的偽隨機(jī)序列的相位差便可確定障礙物1與超聲波發(fā)散換能模塊2、超聲波接收換能模塊3之間的渡越時(shí)間。(2)通過超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊來測量機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)際聲波速度。如圖2所示，超聲波發(fā)射換能模塊2通過超聲波發(fā)射電路模塊4與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊10相連，超聲波接收換能模塊3通過回波接收、放大、濾波電路模塊5與嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊10相連，超聲波發(fā)射換能模塊2與超聲波接收換能模塊3發(fā)射、接收方向平行且緊密相鄰，長方體目標(biāo)固定于超聲波發(fā)射換能模塊與超聲波接收換能模塊前端，距離為42.5cm。由嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊10通過m序列發(fā)生模塊6產(chǎn)生的m序列通過通用1/0引腳輸出，激勵(lì)超聲波發(fā)射電路模塊4將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)，通過超聲波發(fā)射換能模塊2發(fā)射出去，超聲波經(jīng)長方體目標(biāo)11反射到超聲波接收換能模塊3，接收、放大、濾波電路模塊5將其濾波、放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入給m序列還原模塊8，m序列還原模塊8將其還原成對(duì)應(yīng)的離散序列，與本地碼發(fā)生模塊7產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列通過相關(guān)判決模塊9的相關(guān)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)相關(guān)函數(shù)值取值最大時(shí)，通過本地偽隨機(jī)序列與接收到的偽隨機(jī)序列的相位差便可確定長方體目標(biāo)與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間。計(jì)算長方體目標(biāo)距超聲波換能模塊的距離與渡越時(shí)間比值的二倍便為超聲波傳播速度。(3)取渡越時(shí)間與機(jī)器人所處環(huán)境中的超聲波傳播速度的乘積的一半得出機(jī)器人距離障礙物的距離，這一過程在嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊中完成，直接輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，本發(fā)明的適用于特種機(jī)器人的新型超聲波測距裝置的測量誤差SO.1%，具有較高的精度和良好的抗干擾能力。權(quán)利要求1、一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括渡越時(shí)間確定模塊，超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊；所述渡越時(shí)間確定模塊包括超聲波發(fā)射換能模塊、超聲波接收換能模塊、超聲波發(fā)射電路模塊、回波接收、放大、濾波電路模塊和嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSPTMS320VC5509A)；所述的超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊包括長方體目標(biāo)、超聲波發(fā)射換能模塊、超聲波接收換能模塊、超聲波發(fā)射電路模塊、回波接收、放大、濾波電路模塊和嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊；嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊內(nèi)部的運(yùn)算程序包括m序列發(fā)生模塊、本地碼發(fā)生模塊、m序列還原模塊和相關(guān)判決模塊；所述的渡越時(shí)間確定模塊，由嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過m序列發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列經(jīng)通用I/O引腳輸出，激勵(lì)超聲波發(fā)射電路模塊將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)，通過超聲波發(fā)射換能模塊發(fā)射出去，超聲波經(jīng)障礙物反射到超聲波接收換能模塊，通過回波接收、放大、濾波電路模塊將其濾波、放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入給嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊的m序列還原模塊，m序列還原模塊將其還原成對(duì)應(yīng)的離散序列，與本地碼發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列通過相關(guān)判決模塊的相關(guān)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算；當(dāng)相關(guān)函數(shù)值取值最大時(shí)，通過本地偽隨機(jī)序列與接收到的偽隨機(jī)序列的相位差便可確定障礙物與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間；超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊，由嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過m序列發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列經(jīng)通用I/O引腳輸出，激勵(lì)超聲波發(fā)射電路模塊將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)，通過超聲波發(fā)射換能模塊發(fā)射出去，超聲波經(jīng)長方體目標(biāo)反射到超聲波接收換能模塊，通過回波接收、放大、濾波電路模塊將其濾波、放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入給嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊的m序列還原模塊，m序列還原模塊將其還原成對(duì)應(yīng)的離散序列，與本地碼發(fā)生模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列通過相關(guān)判決模塊的相關(guān)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算；當(dāng)相關(guān)函數(shù)值取值最大時(shí)，通過本地偽隨機(jī)序列與接收到的偽隨機(jī)序列的相位差便可確定長方體目標(biāo)與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間，計(jì)算長方體目標(biāo)距超聲波換能模塊的固定距離與渡越時(shí)間比值的二倍便為超聲波傳播速度。2、如權(quán)利要求1所述的一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，其特征在于應(yīng)用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過計(jì)算超聲波傳播速度和渡越時(shí)間乘積值的一半得出機(jī)器人距離障礙物的距離。3、如權(quán)利要求1所述的一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，其特征在于超聲波發(fā)射換能模塊與超聲波接收換能模塊發(fā)射、接收方向平行且緊密相鄰。4、如權(quán)利要求l所述的長方體目標(biāo)，其特征在于長方體目標(biāo)固定于超聲波發(fā)射換能模塊與超聲波接收換能模塊前端，固定距離d的范圍為30cm〈d〈lm。全文摘要本發(fā)明涉及一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)，屬于機(jī)器人傳感器領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括渡越時(shí)間確定模塊、超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊。通過渡越時(shí)間確定模塊來測量障礙物與超聲波換能模塊之間的渡越時(shí)間，通過超聲波傳播速度實(shí)時(shí)測量模塊來測量機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)際聲波速度，應(yīng)用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理模塊通過計(jì)算渡越時(shí)間和超聲波傳播速度乘積值的一半得出機(jī)器人距離障礙物的距離。本發(fā)明的一種適用于特種機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)的測距有效值范圍是0.3m～8.9m。本發(fā)明具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點(diǎn)，可用于特種機(jī)器人導(dǎo)航和避障以提高特種機(jī)器人的探測能力和對(duì)未知環(huán)境的適應(yīng)能力。文檔編號(hào)G01S15/08GK101334472SQ200810106359公開日2008年12月31日申請(qǐng)日期2008年5月12日優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日發(fā)明者羅慶生,趙小川,韓寶玲申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)