來源：電子技術(shù)應(yīng)用  作者：葉 濤 陳紅軍 楊國勝 侯增廣 譚 民

摘要：介紹了自行設(shè)計的移動機器人CASIA-I中超聲測距系統(tǒng)的軟、硬件，以及超聲測距數(shù)據(jù)與上位機通信的設(shè)計和實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)以DSP-TMS320LF2407A作為核心處理器，以CAN總線為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了上述功能。經(jīng)實驗驗證，測距范圍為0.45m～3.5m，系統(tǒng)測距精度在0.7%以內(nèi)，可以滿足移動機器人室內(nèi)導(dǎo)航的要求。

關(guān)鍵詞：移動機器人 DSP 超聲測距 CAN總線通訊

移動機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下運行，必須具備自動導(dǎo)航和避障功能。在移動機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低，被廣泛用作移動機器人的測距傳感器，以實現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。

傳統(tǒng)的輪式移動機器人超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機作為微處理器，以此來測量移動機器人到障礙物的距離，并將距離通過串口傳輸?shù)缴衔粰C。采用這種設(shè)計，系統(tǒng)制造簡單、成本低。但是，對于多超聲傳感器測距系統(tǒng)，如果仍采用單片機來完成測距任務(wù)，由于系統(tǒng)中超聲傳感器數(shù)量較多，為保證系統(tǒng)的實時性，就需要多個單片機才能完成數(shù)據(jù)采集，這使得采集系統(tǒng)不可避免地存在設(shè)計復(fù)雜和一延續(xù) 算法難以實現(xiàn)等缺陷。隨著微電子工藝的發(fā)展，數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用領(lǐng)域已從通信行業(yè)拓展到工業(yè)控制領(lǐng)域。TI公司推出的TMS320LF2407A的專門針對控制領(lǐng)域應(yīng)用的DSP，它具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行速度高達40MIPS，且大部分的指令都可以在一個25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。另外，它還具有非常強大的片內(nèi)I/O端口和其它外圍設(shè)置，可以簡化外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本。正是基于種思想，中國科學(xué)院自動化研究所在國家“863”計劃的支持下，利用多DSP和嵌入式PC104自動設(shè)計和研制了輪式移動機器人CASIA-I。本文著重介紹其超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時對通過CAN總線完成的超聲數(shù)據(jù)與上位機通訊的原理和設(shè)計過程進行分析說明，并給出實驗結(jié)果。



1 超聲測距原理

超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法，即：

D=ct/2  （1）

其中D為移動機器人與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為：

其中，T為絕對溫度，c0=331.4m/s。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔t，即“渡越時間”，然后根據(jù)式（1）計算距離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在距地面高度為45cm、相隔為22.5°的同一環(huán)上均勻分布著16個Polaroid生產(chǎn)的超聲傳感器，其編號為1#～16#（逆時針安排），超聲傳感器波束角為30°，超聲傳感器的最小作用距離為0.45m。超聲數(shù)據(jù)采集板主要有兩大模塊：一是16路超聲器的超聲波發(fā)射和回波的接收模塊，二是與上位（機器人中央控制器）的CAN總線通訊模塊。其硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

TMS320LF2407向I/O端口發(fā)出控制信號，啟動內(nèi)部定時器進行計時。此控制信號功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動電路啟動信號（INIT），超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時返回的高頻振蕩信號經(jīng)放大（為彌補傳播過程中信號的衰減）使超聲傳感驅(qū)動電路的ECHO端產(chǎn)生高電平脈沖。ECHO電平變化經(jīng)過門電路后引起TMS320LF407A外部中斷，在中斷程序內(nèi)獲取定時器的計數(shù)值，根據(jù)式（1）計算距離；否則，認(rèn)為傳感器前方探測范圍內(nèi)無障礙物。


因為超聲傳感器之間的安裝位置相差22.5°，而超聲傳感器的波束角為30°，如果超聲波同時發(fā)射，必須會有干擾。如果采用輪循方式，即一個接一個地發(fā)射超聲波，雖然可以消除串?dāng)_回波的影響，但是16個超聲傳感器輪循一次周期較長，降低了采集頻率。為了在不降低采集頻率的同時消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將16個超聲傳感器分成A（1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#）和B（2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#）兩組，因為同一組內(nèi)的兩個超聲傳感器安裝位置相差45°，通過計算可以知道，這種情況下超聲傳感器同時工作不