武裝機動平臺測距避障系統(tǒng)設(shè)計

隨著社會暴力犯罪和恐怖活動呈上升趨勢，士兵面臨的威脅更突然、直接、致命，這對部隊人員使用的武器裝備提出了更高要求。戰(zhàn)場無人裝備作為一種功能強大、反應(yīng)迅速、代價低廉、應(yīng)用廣泛的多技術(shù)融合體，漸漸步人人們的視野。為了能夠?qū)崿F(xiàn)移動戰(zhàn)場無人裝備的自主避障導(dǎo)航，必須建立移動戰(zhàn)場無人裝備的測距避障導(dǎo)航系統(tǒng)。用于戰(zhàn)場無人裝備測距避障的實現(xiàn)方法有多種，主要有超聲避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達等避障方法。其中超聲波傳感器以其信息處理簡單、技術(shù)成熟、運行可靠、速度快、性價比高和硬件實現(xiàn)方便等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用到移動戰(zhàn)場無人裝備的感知系統(tǒng)中。
    以微控制器為核心的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的興起，超聲波檢測裝置在其檢測精度、手段、應(yīng)用范圍上實現(xiàn)了新的飛躍，廣泛應(yīng)用于智能化檢測和機器人導(dǎo)航等領(lǐng)域。文中介紹了一種以單片機為主控芯片，采用多組超聲波傳感器采集障礙物信息，結(jié)合溫度補償原則，實現(xiàn)精確測距。該測距系統(tǒng)結(jié)合模糊控制避障算法，在自行設(shè)計的武裝機動平臺上得到實際應(yīng)用，實現(xiàn)了武裝機動平臺的安全避障。

1 超聲波測距原理
    超聲波測距技術(shù)是一種非接觸式的測量物體間距離的方法。它是基于無目視能力的生物防御及捕捉獵物生存的原理。通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波時間，計算運動物體與障礙物間的距離。對距離的測定通常采用渡越時間法，即利用超聲波探頭向某一方向發(fā)射出超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，當超聲波在介質(zhì)中碰到被測物體，就會發(fā)生反射，探頭接收到反射波后立即停止計時，從而計算
出發(fā)射和接收回波的時間差△t，繼而根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C，計算出發(fā)射點到被測物之間的距離d=C×△t／2。
    超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有關(guān)，為了獲得較精確的聲速，必須引入溫度補償。對空氣而言，本文采用超聲波速度C與環(huán)境溫度T的關(guān)系按如下公式計算：。硬件設(shè)計中加入溫度補償電路，本文采用溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度送給單片機進行溫度補償，以修正聲速。

2 測距避障系統(tǒng)總體設(shè)計
    武裝機動平臺由運動行走子系統(tǒng)、火力控制子系統(tǒng)、偵察子系統(tǒng)、測距避障子系統(tǒng)組成，總體采用分級式控制方式，各子系統(tǒng)在中央處理器控制下完成相應(yīng)工作。測距避障子系統(tǒng)是武裝機動平臺重要組成部分，在硬件設(shè)計上，采用主、從機結(jié)構(gòu)，從機主要完成測距數(shù)據(jù)的采集處理，主機根據(jù)從機采集的距離信息完成復(fù)雜的避障算法，控制機器人的行走。從機主控芯片采用STC12C5412AD單片機，4組超聲波收發(fā)
傳感器采集障礙物信息，DS18B20溫度傳感器測定環(huán)境溫度，液晶1602顯示4組測定距離和環(huán)境溫度，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

     編號1、2、3、4分別代表4組超聲波傳感器，武裝機動平臺的左右兩側(cè)各安裝1組，前方安裝兩組，分別用于感知各自方向上的障礙物信息，超聲波傳感器在武裝機動平臺上的分布如圖2所示。

    溫度傳感器DS18B20用于感知環(huán)境溫度，把采集到的環(huán)境溫度送給單片機作溫度補償，提高測量障礙物與武裝機動平臺距離的精度，實現(xiàn)精準避障。
    武裝機動平臺避障運動分為4種情況：(a)只有1、2兩組超聲波檢測到障礙物，此時小車向右運動，若3、4組測到障礙物則向相反方向運動。(b)當前方發(fā)現(xiàn)障礙物，1、4組均未檢測的障礙物時，令小車向右運動。(c)當4組超聲波都測到障礙物時，小車先倒退，然后向右運動。(d)若1、4檢測到障礙物而2、3沒有檢測到障礙物，小車并不改變方向仍按直線行走。

3 測距避障系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3．1 超聲波發(fā)射電路
    超聲波發(fā)射電路如圖3所示。它由超聲波波形產(chǎn)生電路、功率放大電路和發(fā)射控制電路3部分組成。由于4組超聲波傳感器需要實現(xiàn)功能相同，電路基本一樣，只是控制電路端口改變，因此只對一組超聲波收發(fā)器的功能實現(xiàn)作介紹。選單片機的端口P1.0為控制信號線，控制觸發(fā)NE555時基振蕩電路產(chǎn)生頻率為40 kHz的方波信號，其振蕩頻率計算公式如式(1)所示。
   

    由于發(fā)出的超聲波信號達不到用于測量所需的強度，且隨著測量距離的增加，超聲波在空氣中的損耗也不斷增加，經(jīng)反射接收到的回波信號十分微弱，不利于從大量雜信號中提取出來。為了提高探測的準確性，在超聲波傳感器與NE555輸出端加上電壓放大電路，對產(chǎn)生的信號進行放大，提高方波信號的電壓值及強度，本系統(tǒng)的最大測距范圍為15 m，由于在軟件設(shè)計中使用了抗反射波直接被接收的限制，最近測距范圍為20 cm。
3．2 超聲波接收電路
    超聲波接收電路如圖4所示。它由超聲波接收換能器、運算放大器、選頻電路及多路選通開關(guān)等部分組成。由于回波在接收傳感器經(jīng)壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號是mV級，所以接收到的回波信號必須經(jīng)放大電路放大后才能由下一級的選頻檢測電路處理。放大電路采用MC33202D集成運算放大器，第一級放大100倍，第二級放大10倍。選頻電路由音頻譯碼器LM567CN實現(xiàn)，其5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部振蕩器的中心頻率fo，fo≈1／(1．1R1C1)。當Input端接收到的信號中有接近LM567設(shè)定的頻率且具有一定幅值的回波時，LM567的輸出引腳OUTPUT
由高電平變?yōu)榈碗娖?，此低電平信號被連接到STC12C5412AD單片機的INT0引腳觸發(fā)中斷。STC12C5412AD單片機在發(fā)射超聲波時啟動定時器，
在中斷產(chǎn)生時關(guān)閉定時器，從而得到超聲波傳播的時間△t，計算武裝機動平臺與障礙物的距離。

3．3 溫度測量電路
    超聲波在空氣中傳播時，大氣壓力、空氣的溫度、濕度等都影響其速度，其中空氣的溫度對超聲波聲速影響最大。為了得到更準確的超聲波聲速，本系統(tǒng)設(shè)計了溫度檢測部分對環(huán)境溫度進行檢測，以提高超聲測距精度。測量環(huán)境溫度時，直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性。為此，本系統(tǒng)采用了DS18B20溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用簡單等優(yōu)點。其溫度測量范圍為-55～125℃，測量分辨率為0．5℃，微處理器接口簡單，輸出為溫度值的9位(二進制)數(shù)據(jù)讀數(shù)?？煞?br /> 便地實現(xiàn)超聲波聲速的溫度補償，從而提高測量的準確度。

4 測距避障系統(tǒng)軟件設(shè)計
    超聲波測距系統(tǒng)的軟件由主程序、超聲測距子程序、溫度數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序等組成。主程序和超聲測距子程序的流程圖分別如圖5和圖6所示。主程序首先在上電復(fù)位后，完成STC12C5412AD單片機及其外圍功能模塊的初始化。然后調(diào)用溫度采集控制程序，讀取當前溫度值，并利用溫度補償程序，計算出當前溫度下超聲波的波速。接著依次啟動4路超聲波的發(fā)射，在超聲波發(fā)射過程中，屏蔽接收電路向單片機輸入信號。同時，使能定時器T1開始計時。超聲波每次發(fā)射10個周期的信號，耗時為250μs。由于超聲波在發(fā)射過程中會產(chǎn)生余波，同時
超聲波發(fā)射傳感器與接收傳感器相距較近，所以發(fā)射時會有部分余波未經(jīng)反射直接繞射到超聲波接收傳感器上，引起系統(tǒng)誤差。為了避免誤差，采用延遲接收的方法，在超聲波發(fā)射完1ms后開放接收電路，并使能外部中斷，調(diào)用延時程序，等待超聲波回波，所以存在20 cm范圍內(nèi)盲區(qū)。若有回波，則引起中斷，調(diào)用中斷服務(wù)程序，讀取T1計數(shù)值，經(jīng)處理后，計算出距離，送LED顯示，同時把計算距離送至避障子程序入口，產(chǎn)生相應(yīng)的避障指令，控制機動平臺的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進、倒退等動作。

    文中把上述電路和算法應(yīng)用于武裝機動平臺的測距避障系統(tǒng)，進行了多次超聲波測距實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

    通過對實驗中測得數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn)，當平臺運動速率較低時，測量距離與實際距離間的誤差較小，當平臺運動速度增大時，測距誤差有所增大，基本達到了系統(tǒng)所要求的精度范圍。

5 結(jié)束語
    本測距系統(tǒng)采用單片機作為主控芯片進行模塊化設(shè)計，充分利用其硬件資源，設(shè)計較簡單，軟件編程易實現(xiàn)。在硬件電路設(shè)計時，設(shè)計了4路超聲波收發(fā)傳感器采集障礙物信息，同時加入溫度補償電路，提高測量精度。在編制系統(tǒng)軟件時，考慮到超聲波測距過程的“盲區(qū)”問題，在虛假反射波到來之前這段時間內(nèi)禁止接收中斷的發(fā)生，避開了虛假反射波帶來的干擾。實驗結(jié)果基本達到了系統(tǒng)所要求的精度范圍，
在武裝機動平臺系統(tǒng)上得到應(yīng)用。