崔慧海，李焱，周歆

（1.國防科技大學(xué)機電與自動化學(xué)院，湖南長沙410073；2.寧波電業(yè)局計量中心浙江寧波315040）

在地面自主車輛（ALV）的研究中，障礙檢測傳感器是ALV導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前，在自主車上使用的測障傳感器主要有激光雷達、CCD雙目視覺、超聲波傳感器，以及紅外傳感器。相比其它類型的傳感器，超聲測障傳感器具有價格低廉、可以全天候工作，以及不受光照、電磁、煙霧和粉塵等因素的干擾等優(yōu)點。自主車輛在野外環(huán)境行駛過程中，要求測障傳感器具備探測10～20 m范圍的能力，然而現(xiàn)有車載超聲傳感器一般作用距離只有幾米，而且波束角較大、空間分辨率低，難以滿足遠距離測障的要求。因此，研制遠距離超聲測障系統(tǒng)，對于提高自主車在野外環(huán)境的環(huán)境感知能力具有重要的意義。國內(nèi)在面向地面自主車輛的遠距離超聲測障傳感器的研究方面雖然已取得了初步的成果[1-3]，但還沒有形成能與自主車控制系統(tǒng)集成的超聲測障系統(tǒng)。

筆者設(shè)計并實現(xiàn)了由超聲傳感器陣列構(gòu)成的遠距離超聲測障系統(tǒng)，重點對該系統(tǒng)中的遠距離超聲傳感器設(shè)計、基于車載CAN總線的通信模塊設(shè)計及上位機軟件進行介紹。

1 遠距離超聲傳感器設(shè)計

1.1 超聲換能器

本系統(tǒng)中使用的超聲換能器由縱向振動換能器、半波長錐形變幅桿和矩形彎曲振動盤組成，工作頻率為23 kHz。

選用高指向性的超聲傳感器雖然提高了空間分辨率，但卻不能覆蓋車輛前方整個路面，探測范圍較小。為解決上述問題，需將超聲傳感器組成陣列，在提高空間分辨率的同時提高探測覆蓋率。

1.2 時變增益電路

超聲測障傳感器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一是超聲波回波接收電路，接收電路既要將遠距離微弱的回波信號充分放大，又要減少死區(qū)距離、避免振蕩和降低噪聲。隨著探測距離變長，超聲波回波信號快速衰減，相同障礙物對應(yīng)的回波信號幅值會形成顯著的差異。為克服固定增益放大電路在遠距離超聲測障應(yīng)用中面臨的困難，該系統(tǒng)基于TL026控制芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了遠距離超聲傳感器的時變增益控制電路。

野外環(huán)境實驗數(shù)據(jù)表明，超聲測障傳感器的探測距離達到20 m，波束角為±7°。

該系統(tǒng)遠距離超聲傳感器的時變增益電路采用TL026作為超聲的初級輸入，由飛利浦公司的單片機P89LPC915調(diào)節(jié)增益控制電壓如圖1所示。P89LPC915包含1個8位、4路逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC1）和1個DAC模塊（DAC1），在3.3 MHz的ADC時鐘下，8位轉(zhuǎn)換時間≥3.9 μs。單片機在2次探測周期之間對TL026的REF腳進行采樣，確定增益控制基準電壓，避免了由于溫度變化造成基準電壓的漂移。

圖1 時變增益控制電路Fig.1 Time varying gain control circuit

如果直接使用D/A輸出控制AGC腳電壓，雖然該方法控制起來比較簡單，但由于階躍信號含有各種頻譜，D/A輸出的微小跳變引起的輸出的跳變在后級的信號放大器中被放大，而且無法通過帶通濾波器消除，這增加了后續(xù)處理電路的難度和誤報率。筆者采用如下方法來解決上述問題：1）死區(qū)期間，單片機輸出VDA，向C20迅速充電，使VC=VREF+200 mV，使增益接近于0，以衰減死區(qū)信號；2）死區(qū)結(jié)束時，VDA降為0 V，這時，電容通過R39和TL026的AGC腳放電；3）接收周期結(jié)束時，電容兩端電壓降為VC=VREF-200 mV達到最大增益。

2 通信模塊設(shè)計

2.1 通信硬件電路設(shè)計

筆者采用高集成度微控制器與CAN控制器構(gòu)造超聲測障系統(tǒng)的通信模塊硬件電路。每個超聲傳感器由微控制器89LPC915負責指令的解析、數(shù)據(jù)回傳及發(fā)射控制；由CAN控制器MCP2515負責CAN通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。通信模塊硬件框圖和電路圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 通信模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of communication module

圖3 通信模塊硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of communication module

其中，89LPC915是Philips公司生產(chǎn)的高集成度、低成本微控制器。MCP2515是MICRCHIP公司生產(chǎn)的帶SPI（Serial Peripheral Interface）接口的獨立CAN控制器。本系統(tǒng)中89LPC915作為主設(shè)備，提供SPI串行時鐘，負責向MCP2515寫入控制命令和待發(fā)送數(shù)據(jù)，MCP2515作為從設(shè)備，負責向89LPC915發(fā)送狀態(tài)改變中斷和接收到的數(shù)據(jù)。

2.2 通信軟件設(shè)計

傳感器與上位機的通信協(xié)議如表1、表2所示。

表1 傳感器接收指令表Tab.1 Receiving instruction of sensor

表2 傳感器發(fā)送指令表Tab.2 Sending instruction of sensor

傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)每組為3個字節(jié)，用來記錄渡越時間和回波大小。MCU根據(jù)接收到的回波數(shù)量動態(tài)地決定每幀發(fā)送1組還是2組數(shù)據(jù)。CAN通信參數(shù)設(shè)置為：波特率設(shè)置為500 K，只接收標準標報文。11位標準標識符的高8位用于傳感器編號，3-11位分別對應(yīng)1-8號超聲傳感器，這樣上位機只要將標識符位置位，對應(yīng)的傳感器就能接收到指令，使上位機只要一條指令就能對多個傳感器進行控制。程序整體框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 Work flow chart of system

上位機監(jiān)測程序采用LabVIEW圖形化編程語言編寫。本系統(tǒng)通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)對CAN總線的控制和讀寫。CAN總線的設(shè)置程序如圖5所示。

圖5 LabVIEW程序框圖Fig.5 Program block diagram of LabVIEW

3 實驗結(jié)果

在野外環(huán)境下，我們對遠距離超聲傳感器的時變增益電路的性能進行了測試。

實驗結(jié)果表明，增加時變增益電路后（圖6（b）），相比固定增益（圖6（a）），近距離的超聲回波信號幅度沒有什么變化時，遠距離的回波信號幅度和探測距離顯著增加。未增加死區(qū)衰減（圖6（c））時近距離的超聲回波信號被超聲頭余振信號覆蓋，死區(qū)距離較大，增加死區(qū)衰減和時變增益（圖6（d））后，死區(qū)距離明顯減少。圖7為由3個超聲傳感器組成陣列的上位控制軟件界面，其左側(cè)為傳感器獲得的回波信號，右下方為陣列控制界面，右上方為通過算法獲得的障礙物位置。

圖6 超聲回波信號Fig.6 Sonar data signal

圖7 超聲測障系統(tǒng)界面Fig.7 Sonar obstacle detection systeminterface

4 結(jié)束語

遠距離超聲測障系統(tǒng)實現(xiàn)了基于自主車控制系統(tǒng)CAN總線的遠距離超聲傳感器陣列的控制和數(shù)據(jù)采集，具有較寬的探測范圍與較高的測距精度，該超聲測障系統(tǒng)對于提高越野環(huán)境下自主車的環(huán)境感知能力和可靠性具有重要作用。

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