基于机器人的多路超声波测距系统设计研究

    在自主移动机器人系统中,机器人需要实时地采集环境信息,以实现避障、环境地图建立、定位、导航和路径规划等,这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到了实际的应用。其中,超声波传感器以其信息处理简单、速度快、性价比高和硬件实现方便等优势,被广泛地应用到移动机器人感知系统中。

    1　硬件架构

    本系统控制器使用Motorola公司的8位微控制器MC68HC908GP32作为CPU,超声波传感器采用接收头,采用与发射头配对的UCM40的压电陶瓷传感器。MC68HC908GP32是MC68HC08系列微控制器中的一种通用芯片,该系列芯片采用了0.35μm工艺,具有速度快、功能强、功耗小及价格低等优点,利用该系列芯片的输入捕捉功能,可以方便地实现本系统中超声波回波信号的检测。整个系统结构框图如图1所示。

    1.1　超声波的发射

    超声波发射频率为40kHz,其脉冲信号由555定时器产生,40kHz的脉冲信号经三极管2222A驱动超声波发射头UCM40T。MC68HC908GP32的PTA口与555的引脚4连接,每个I/O口控制一路,以控制本路超声波发射器的发送与否。笔者采用独立的24V电源对三极管驱动电路供电,以增加超声波发射的能量和测量的精度。

    1.2　超声波的接收

    由于在距离较远的情况下,超声波的回波信号比较弱,接收头UCM40R的输出信号只有几毫伏,因此接收到的回波信号首先经过单电源运放OP07进行放大,放大倍数为1000倍。选频电路由音频译码器LM567实现,当检测到的信号中有接近于LM567设定的频率(即超声波工作频率40kHz),且达到一定幅值的回波时,LM567的输出引脚8由高电平变为低电平,即确认己检测到回波信号。最后经电压比较器LM311整型,输出给选通开关芯片CD4066。

    1.3　多路选通控制模块的设计

    多路选通控制模块的主要功能是控制接收回路的选通或关闭,接收到回波信号时产生触发脉冲输入到微控制器的输入捕捉通道,判断所接收到的回波信号的回路号。

    当接收到回波信号时,在输入捕获引脚T1CH0(PTD4)上发生一个指定的跳变沿(可以指定该跳变是上升沿或者下降沿),并产生输入捕捉中断。然而由于障碍物表面等因素的影响,回波信号往往不稳定,会接连出现几次跳变,在实际应用中,一般只利用第一个跳变沿,为了避免后续跳变的干扰,采用PTC0-4和PTD1-4分别控制双向选通开关芯片CD4066的控制端来控制接收回路的关闭与选通,当检测到第一个跳变沿后,进入中断,然后关闭该路的回波检测。回波信号经锁存器74LS373后,根据检测PTB口各位的电平高低,判断是哪一个或者是哪几个接收电路接收到的回波信号。