汽车倒车防撞自动测距报警系统设计.docx

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汽车倒车防撞自动测距报警系统设计

超声波测距系统的障碍物检测

摘要

从超声波传感器获取的信息受传感系统的特性如敏感度，方向性等影响。

为了探讨其影响力，我们建立了两个特性互不相同的超声波测距系统，相互借鉴，研究，以检测他们的性能如障碍物检测性及合成的声纳图。

关键词：

超声波测距，障碍物检测，声纳地图。

Ⅰ引言

对于移动机器人，无论是否具有环境地图，其都需要具有识别环境的功能来寻找不可预知的障碍物和机器人可以通过的路径，。

至于射程传感器，可以测量与物体间的距离，超声波传感器普遍用于移动机器人中，因为它体积小，价格低廉，更易于距离的计算。

目前的超声波传感器系统通常使用的飞行时间计算距离（飞行时间）方法。

到反射物的距离l通过公式l=ct/2计算。

其中c是超声波在空气中的传播速度，t是往返飞行时间（图1）。

飞行时间方法在回波幅度首次超过临界值后产生一个范围值。

尽管像这样简单的方法，从超声波传感器获取的信息仍受传感系统的特性影响，例如它的环境等。

为了探讨传感器系统的影响，我们建立了两个特性互不相同的超声波测距系统，相互借鉴，研究，检测他们的性能如障碍物检测性及合成的声纳图。

图1TOF原理图

在第二节，我们介绍两个我们开发的超声波测距系统，。

其障碍物检测的可用性在第三节验证，声纳地图制作使用在第四部分。

最后，给出的结论是在第五节。

Ⅱ两个超声波测距系统

图2显示了反射波的模型，其中有两个对象在视野中。

随着一个超声波的衰减和传播，反射回波幅度越远，对象就较小（甚至来自同一对象）。

由于我们使用的压电式超声波传感器，我们分别使用一个发射器和接收器。

因此，收到的波，包括从发射器接收的直接波必须被忽视。

我们已经开发出一种超声波测距系统A，其中一个根本的方法是采用以下的[4][3]。

超声波是由具有长爆破波的发射器发出，为了压电振子充分振动。

一个范围值的计算方式是使用扩增回声飞行时间和阈值法水平。

检测回声的阈值恒定不变，以简化电路。

A系统每个信号的概念如图3所示。

但是，这种系统存在一些问题。

首先，回波信号是缓慢上升，然而回波信号强度没有那么大。

因此，易造成测量误差。

为了减少这种测量误差，超声波必须加速增加。

其次，测量范围是有限的，它由固定阈值水平决定。

当级别设置较高时，不可能检测远距离物体。

或者它当级别设置为低时可能检测出近距离的噪声。

此外，喇叭连接到A体系中增加波强度。

然而，它使方向性狭窄。

图2反射波的模型

图3A系统信号的概念

为了解决A系统的问题，我们改进了发送和接收电路，开发了一种新型超声波传感器系统B。

B系统每个信号的概念如图4所示。

为了扩大回波信号的强度，加快了它的增加，一个单脉冲高电压用于发射器。

峰值电压约为720V，尽管它在系统A中是12V的。

这种方法有以下好处。

首先，掩蔽时间随着传送时间的缩短可缩短。

因此，它可以测量近距离物体。

其次，通过利用高电压超声波脉冲发射，发射波上升时间缩短了。

因此，测量误差可减少。

对于接收，阈值水平随时间递减，并逐步适应回波振幅减少随距离增加。

我们把这种方法称为时间阈值控制。

此方法对于近处物体具有很强的噪声，而且可以测量较远距离的对象。

宝丽来超声波测距定位传感器解决了随时间变化的放大系数这个问题。

这就是所谓的时间增益控制。

但电路复杂。

为了以一个简单的电路解决这个问题，而不是放大因素，阈值水平应随时间变化。

系统B增加衡量的范围，减少测量误差，并以一个简单的电路提高测量性能。

图4B系统信号的概念

图5A系统获取的信号举例

图5显示了由A系统获得的回声信号的例子。

左边是一个直接波，右边是一个回音。

在这种情况下，如果忽视了直接波，这时附近返回回声的物体则无法测量。

此外，由于超声波缓慢上升造成测量误差。

图6显示了由B系统获得的回声信号的例子。

其表明直接波缩短，以及超声波上升时间也缩短。

图7显示了B系统中的放大接收信号和阈值水平。

接收波在4V左右达到饱和。

直接波通过起初设置高的阈值水平被忽略。

在此之后，阈值水平随时间递减。

图6B系统获取的信号举例

图7B系统中放大的接收信号及极限值举例

Ⅲ障碍物检测

为了检测前面提到的两个超声波测距系统障碍物检测的实用性，我们测量了一个反射物体宽度的最大量测距离。

传统的系统连接到角，以增加回波强度。

我们测量的最大范围，而这些数据可以检测对象与实际距离误差。

实验设置如图8，实验结果如图9所示。

在图9，系统A的结果在图形下方，系统B在图形上方。

实线表示测量值，虚线表示的到物体的实际距离。

如图所示在A和B两个系统中，如果反射物体的宽度小于10厘米其可测量的距离锐减。

不过，这个数字表明，系统B在不使用喇叭时可以比系统A测量得更远，而且系统B与实际物体的误差比A小。

我们得出结论可靠性和测量性能的改善B系统实现。

在许多情况下，超声波传感器连接到一个喇叭，以增加换能器视线内波的强度，所以方向性变窄。

窄指向性是为了更好地知道确切存在障碍的方向。

然而，只有障碍物垂直于换能器的视线内，其才可以被检测到。

了解障碍物存在与否及有多远对于移动机器人的障碍物检测很重要。

因此，如图10所示宽指向性对于障碍物检测也很需要。

带有喇叭的系统B较系统A可以获得较多的敏感性，因此，在下一节验证系统B的指向性可以较宽，并提供更适合的障碍检测。

图8反射物体宽度的最大量测距离实验设置

图9反射物体宽度的最大量测距离实验结果

图10障碍物检测的超声波测距方向性

Ⅳ声纳地图理解

我们调查了使用两个超声波测距系统制作的环境地图。

该地图的制作方法是为将一定范围的数据沿传感器放置在一个方向测量范围内。

其有围墙和直角弯道（凸，凹）。

A系统使用了一个喇叭，以增加其强度。

每个系统都安装在我们的移动机器人“YAMABICO”上[5]（图11），以及该系统的旋转方向是由机器人改变。

实验环境如图12，系统A和B的实验结果分别显示在图13和14中。

这些传感器被放在原点（0，0）。

图11系统B安装在移动机器人“YAMABICO”上。

右侧是一个方向的发送和接收电路（70毫米*60毫米），左边是为4个发送和接收电路供电的高电压电路（70毫米*72毫米）。

传感器直接连接到电路板，没有喇叭。

图12实验环境。

传感器被置于0点

图13表明系统A只可以检测到传感器视线内到墙的垂直回声。

因为此系统中回声信号的强度很低，而且当回声从传感器反射回来时，其信号幅度无法超过其极限值。

作为一个结果，看来这个系统有一个狭窄的方向性。

另外，当传感器的线路和围墙的法线方向角变大时，回波强度变小。

然后，后来的回声振幅超过一个阈值水平。

因此，该区域的数据显示在圆与墙的接触弧上，其中心在墙外。

与上述相比，图14表明，系统B可以检测在每一个方向的回声，由于在这个系统中的回波信号的强度足够大。

从这个图形可以看到，该系统B指向性宽，由于距离数据躺在一个传感器与圆的弧线上且其中心在传感器上。

因此，当一个机器人移动，障碍是可以检测到的，即使他们没有垂直面对到换能器的视线。

因此，系统B可以改善检测障碍物的能力。

Ⅴ结论

从上述结果可以得到以下结论：

●障碍物检测的性能随着不同传感器系统变化。

●传感器的指向性不仅取决于换能器得方向性，而且取决于传感器的敏感性。

●由此得到的声纳地图形状急剧变化，根据传感器的特点，如灵敏度，方向性等。

●声纳地图的认识应当做到细心，因为声纳地图形状可能在很大程度上与真实的环境不符合。

如果机器人感知能力与人类几乎无异，我们可以信任机器人。

不幸的是，几乎大多数的电流传感器并没有那么聪明，而且能力是有限的。

因此，我们必须小心处理机器人的存在。

图13系统A的合成声纳地图

图14系统B的合成声纳地图

ObstacleDetectabilityofUltrasonicRangingSystem

andSonarMapUnderstanding

Abstract

Informationobtainedbytheultrasonicsensorisinfluencedbythecharacteristicsofthesensingsystemsuchassensitivity,directivityandsoon.Inordertoinvestigateitsinfluence,weconstructedtwoultrasonicrangingsystemsofwhichcharacteristicsdiffersfromeachotherandexaminedtheirperformancesuchasobstacledetectabilityandresultantsonarmap.

Keywords:

UltrasonicSensing,ObstacleDetection,SonarMap

I.Introduction

Formobilerobots,functionswhichrecognizeenvironmentsarerequiredtofindunpredictableobstaclesandpathsthroughwhichtherobotcanpass,whetherhavinganenvironmentalmapornot.Asforrangesensors,whichcanmeasureadistancetoobjects,ultrasonicsensorismorecommonlyusedwithmobilerobotsbecauseitissmall,inexpensiveandeasytocalculatedistances.

Presentultrasonicsensorsystemsgenerallycalculatedistanceusingthetime-of-flight（TOF）method.Thedistanceltoareflectedobjectiscalculatedbyl=ct/2;

（1）wherecisthespeedofsound,andtistheround-triptime-of-flight（Fig.1）.TheTOFmethodproducesarangevaluewhentheechoamplitudefirstexceedsthethresholdlevelaftertransmitting.Inspiteofthesimplemethodlikethis,informationobtainedbytheultrasonicsensorisinfluencedbythecharacteristicsofthesensingsystem,itofenvironmentandsoon.

Inthispaper,inordertoinvestigatetheinfluenceofthesensorsystem,weconstructedtwoultrasonicrangingsystemsofwhichcharacteristicsdiffersfromeachotherandexaminedtheirperformancesuchasobstacledetectabilityandresultantsonarmap.

InsectionII,weintroducetwoultrasonicrangingsystemswhichwedeveloped.TheiravailabilityforobstacledetectionisexaminedinsectionIII,sonarmapmakingusingtheminsectionIV.Finally,theconclusionsarepresentedinsectionV.

Fig.1.Theprinciplesofthetime-of-flight（TOF）method

II.TwoUltrasonicRangingSystems

Fig.2showsamodelofreflectedwaves,wheretherearetwoobjectsinafieldofview.Asanultrasonicwaveattenuatesandspreads,theechoamplitudereflectedofffartherobjectissmaller（evenfromthesameobject[2]）.Becauseweusepiezoelectricultrasonicsensors,weuseatransmitterandareceiverseparately.So,thereceivedwavesincludethedirectwavefromthetransmitterwhichmustbeneglected.

WehavedevelopedaultrasonicrangefindingsystemAinwhichthefollowingfundamentalmethodisemployed[4][3].Ultrasonicwavesaredischargedfromatransmittergivencomparativelylongburstwavesinordertovibrateitspiezoelectricvibratorfully.ArangevalueiscalculatedbyTOFmethodusingtheamplifiedechoandathresholdlevel.Thethresholdleveltodetectechoesisconstantinordertosimplifythecircuit.TheconceptofeachsignalforSystemAisshowninFig.3.However,thissystemhassomeproblems.First,theriseofechosignalisslow,sincetheintensityoftheechosignalisnotsolarge.Someasuringerrorsresult.Toreducesuchmeasuringerrors,theriseofultrasonicwavesmustbequickened.Next,themeasuringrangeislimitedbyafixedthresholdlevel.Itisimpossibletodetectfardistanceobjectswhenthelevelissethigher,oritislikelytodetectnoisefromnear

distanceobjectswhenthelevelissetlower.Also,hornsareattachedtoSystemAtoincreasetheintensityofwaves.However,itmakesthedirectivitynarrow.

Fig.2.Amodelofreflectedwaves.

TosolvetheproblemsofSystemA,weimprovedthetransmitandreceivecircuit,anddevelopedanewultrasonicsensorsystemB.TheconceptofeachsignalforSystemBisshowninFig.4.Inordertoenlargetheintensityofechosignalandquickentheriseofit,ahighvoltagesinglepulseisemployedfortransmitting.Thepeakvoltageisabout720V,whileitisabout12VinSystemA.Thismethodhasthefollowingbenefits.First,themaskingtimecanbeshortenedbyshorteningthetransmittingtime.Thusitispossibletomeasureneardistances.Second,therisetimeoftransmittingwavesisshortenedbyusingahighvoltagefordischargingultrasonicpulses.Thereforethemeasuringerrorscanbereduced.Forreceiving,thethresholdlevelisdecreasedwithtime,andisgraduallyadjustedtotheechoamplitudedecreasingwiththedistance.Wecallthismethodtimethreshold-control.Thismethodisrobusttonoisesfromcloseobjects,andmakesitpossibletomeasurefardistanceobject.ThePolaroidultrasonicrangesensor[1]solvesthisproblembychangingtheamplificationfactorwithtime.Thisiscalledtime-gain-control.Butthecircuitiscomplicated.Tosolvethisproblemwithasimplecircuit,nottheamplificationfactorbutthethresholdlevelshouldbevariedwithtime.SystemBrealizesincreasesinthemeasurablerange,decreasesmeasuringerrors,andincreasesmeasuringperformancewithasimplecircuit.

Fig.5showsanexampleofechosignalobtainedbySystemA.Theleftoneisadirectwave,andtherightisanecho.Inthiscase,ifignoringthedirectwave,itwasimpossibletomeasurenearobjectswhoseechoreturnsinthistime.Also,measuringerrorsresultedbecauseofslowriseofultrasonicwave.Fig.6showsanexampleofechosignalobtainedbySystemB.Itshowsthatthedirectwaveisshortened,andtherisetimeofultrasonicwavesisalsoshortened.Fig.7showstheamplifiedreceivedsignalandthethresholdlevelinSystemB.Thereceivedwavesaresaturatedaround4V.Thedirectwaveisignoredbymakingthresholdlevelhighatfirst.Afterthat,thethresholdlevelisdecreasedwithtime.

Fig.3.TheconceptofeachsignalforSystemA.

Fig.4.TheconceptofeachsignalforSystemB.

Fig.5.AnexampleofechosignalobtainedbySystemA.

Fig.6.AnexampleofechosignalobtainedbySystemB.

Fig.7.AnexampleoftheamplifiedreceivedsignalandthethresholdlevelinSystemB

III.ObstacleDetectability

Toexaminetheavailabilityforobstacledetectionoftwoultrasonicrangingsystemsmentionedinprevioussection,wemeasuredtherelationofthemaximummeasurabledistancetothewidthofareflectedobject.Theconventionalsystemisattachedtoahorntoincreasetheintensityofechoes.Wemeasuredthemaximumrangedatatotheobjectwhichcanbedetected,anderrorstotherealdistance.Theexperimentalset-upisshowninFig.8,andtheexperimentalresultsareshowninFig.9.InFig.9,theresultofSystemAisbelowthegraph,andSystemBisabove.Solidlinesmeanthemeasuredvalue,anddottedlinesmeantherea