双超声波防撞小车系统设计

1 引言

　　超声波传感器因其测量精度高、 响应快和价格低廉而得到了广泛应用，传统应用方式是1 个发射头对应1 个接收头 ，也有多个发射头对应1 个接收头。但我们在实际应用中发现，如果障碍物的面很大(如墙壁)，超声波传感器可以用来准确测距，但若将其应用在小车防撞系统中，由于障碍物呈柱状，而超声波发射头有一定的散射角(左右)，因此即使障碍物不在小车正前方，超声波仍能检测到斜前方回波，这就给智能控制车辆行进带来困难和误导，为了解决这一问题，我们提出了一种使用双接收头的方案，并从实用角度给出了一套具体控制策略。

本文提出了一种基于单片机控制的超声波定位前方物体的监测控制系统。通过一左一右的双超声波接收头检测信号，送单片机进行数据计算处理，能够精确计算与障碍物的距离，同时判断该障碍物是否位于车辆行径的路线上。从而能保证车辆行驶中能准确避障。实验测试系统表明，该系统有效距离可达8m，测量精度可达0.05m，小车能自由避开前方障碍物，或遇到障碍物时紧急刹车停下， 但不会因为障碍物在小车斜方向而误判停止。

　　2 系统的结构流程设计

　　我们的整个系统需要完成测距，测速，定位，控制小车运动等功能，系统包括如下六部分： 超声波发射电路， 超声波接受电路，信号处理器，温度测量，小车控制电路等五部分。系统结构框图如图一所示：

　　图1：系统结构框图

　　通过单片机产生40k 的方波，经过放大后驱动超声波传感器发射头，从而发出超声波，遇到前方物体反射后由接收端捕捉，经过对两个接收头捕捉时间的计算以及加入温度补偿，判断最终前方小车的方向与距离，再通过与前次数据差分计算出其相对前车的速度，最后通过速度、距离以及位置三个数据进行智能控制，控制小车转弯或减速慢行等。

　　具体的硬件组成为：MCU 采用AT89S52 单片机，P1.0 口输出超声波换能器所需的40K 方波信号，经过反相器7404 后驱动传感器，为了能使超声波发射得更远，我们并接了三个发射头，利用外中断0 口监测超声波接收电路输出的返回信号，回波检测采用红外检测集成芯片CX20106，显示电路采用简单的4 位共阳LED 数码管，断码用74LS244，位码用8550 驱动。测温部分使用18B20 测出当前的环境温度用以判断出超声波传播的速度。

　　3 MCU 算法控制

　　3.1 距离计算与方位判断

　　单片机可以计算出发射与接收到超声波之间的时间，根据测温系统的实际测温， 查找出在该对应温度下的声速，计算出反射物距离两接收端的距离。 理论上由以上两个数据上就可以直接数学推导出该物体的空间位置(如图2 和公式一、二所示)。

　　图2 超声波传感器空间方位

　　其中d 为R1 与R2 的距离，z1、z2 分别为物体到各个接收端的距离 ，如果直接这样计算就会过于复杂，普通单片机处理的话耗时较多， 于是我们提出了一种基于计算二者距离差来大致判断物体位置的方法。一般来讲小车只关心在车前方的物体，我们设定一个距离参数l代表前方障碍物与小车的水平距离，再设定一个距离参数h，代表前方障碍物与小车的垂直距离。我们可以由下面的关系推导出h， l， d与z2-z1的关系(公式3---公式6)。

　　将公式6想减的两项做除法不难发现第一项始终大于第二项，所以z2-z1是关于l的增函数， 同时随着h的减小，z2-z1同样会变大，也就是说当障碍物体靠近小车时，如果其偏离了小车的中心(即不会撞到)有一个明显的特征为其z2-z1的值会比较大，我们可以取d=5cm h=30cm， 让l在[10cm，30cm]间变化，做出的曲线如图3所示，各个物理量的几何关系见图4 。

　　图3 z2-z1与l的关系

　　图4 各个物理量的几何关系

　　不难发现，当l距离在[10cm，30cm](h 30cm)区间时，z2-z1的差将 > 4cm.据此我们设定了一个阈值4cm，当检测到差值大于4cm，不需要做任何刹车控制，直接直行通过，通过这样简单的计算判断，我们可以有效避免由于偏离小车中心的障碍物靠小车过近造成的z1，z2的值过小，从而引来可能的刹车误判。在做这个项目时，我们采用的车模体积不大，因此设计的阈值等不是很大，若应用到实际车模中时可根据情况改变阈值的大小。

3.2速度的计算

　　速度我们采取简单的近似平均进行估算，我们可以计算出系统测距地间隔约为120ms，通过将当前的测距结果与上次测距结果做差比较，根据公式7可以估算出当前速度的近似值：

　　3.3系统流程(见图5) 。

　　图5系统流程

　　4部分测试结果

　　表1是我们对测距电路单独的测试结果：(单位cm) 。

　　表1 测距结果

　　从此表中可以看出我们的测距电路是很精确的。

　　图6是我们对双接收头方案的测试结果：

　　图6 双接收头方案测试结果

这六幅图中，上三幅均为用右接收头接