超声聚能器预警避障技术研究

2021-01-22东鑫渊

科学技术创新 2021年3期

东鑫渊

（西安思源学院，陕西西安710000）

如今，预警避障技术在工业中具有广泛的应用，使得机械在运行过程中能够顺利躲避障碍物[1]。在预警避障技术中可以利用声呐、红外线、罗盘、视觉和超声波等方式对障碍物进行判断，其中使用超声波进行测距避障具有更好的应用效果。超声波测距系统中主要以单片机作为主控芯片，虽然这种方式有利于节约系统的成本，但是单片机在运行过程中会存在比较大的延时误差，所以其测距精确度和可靠度会降低[2]。

文章为了增强预警避碍技术的功能，在超声波测距系统中使用现场可编程门阵列代替单片机，主要从硬件和软件设计两个方面进行研究，旨在增强预警避障的精确度和可靠性。

1 超声避障原理

超声避障原理主要是利用超声波进行测距，超声波在空气中的传播速度已知，并且该速度大致上不会发生变化，所以只需要测得超声波发出和接收的时间，即可计算出距离。

超声波测距可以分为两种，分别为直接测距和间接测距[3]。直接测距方式的原理是超声波发射端发出超声波之后，另外一个接收端会接受到超声波信号，从发射超声波开始计，测得接收到声波时间，根据超声波速度就可以测量出距离。间接测距方式的原理是超声波的发射端和接收端在同一位置，当超声波发射出去之后，会遇到障碍物，超声波会反射回来后被接收到，测量出发出超声波到接收超声波所用的时间，根据超声波速度就可以测量出距离。

2 基于超声波测距的预警避障技术

2.1 硬件设计

为了增强预警避障技术的使用性能，在其中所使用的超声波测距中使用现场可编程门阵列作为主控。由于现场可编程门阵列能够通过JTAG 下载线直接将程序写到片外Flash 中，于是可以实现在线编程调试，所以使用现场可编程门阵列还能够给系统的设计带来很多便利。

于是在接下来对预警避障系统的硬件设计中主要从以下四个方面进行分析，分别为超声波发射方面、超声波接收方面、显示方面和报警电路方面。

现场可编程门阵列对超声波驱动信号和时钟进行控制，当信号产生之时，时钟会开始进行计数，然后超声波会被检测障碍物发射回来，发射回来的超声波信号在外界传播过程中会受到各种因素的影响，然后超声波接收模块会对超声波进行过滤然后放大，最后现场可编程门阵列会对回来的超声波信号进行检测和计算，即可显示输出结果。

（1）发射电路

超声预警避障技术中的放大电路使用的是三极管8050，如图1 所示。

图1 超声波发射电路设计

（2）接收电路

由于超声波接收电路中回波信号较微弱，为了能够准确接收到超声波，将回波信号放大到大致3.3V，且为方波。图2 为接收电路，其中两极放大电路为NE5532 低噪运算放大器，来提高预警避障的精度。

（3）预警电路

预警电路的作用是使系统发出提醒避免接触到障碍物。系统设计一个蜂鸣器和三极管，如图3 所示。三极管的作用在于将功率进行放大，然后可以驱动蜂鸣器使之发声。

图3 预警电路设计

2.2 软件设计

由于现场可编程门阵列中每个进程都是并行执行，而且属于每个相互独立的模块，所以软件程序设计将不同模块由上至下独立设计，对每个独立的模块进行仿真验证和编译。

3 测试结果

将障碍物设置在探头的1m 和0.5m 处，分别进行五次实验，如表1 所示的检测结果，通过将数码管显示结果和实际结果进行比较，发现预警避障的准确率提高，但还存在一定误差，主要因为传播时会受到各种因素影响，超声波接收器没有完全的对超声波进行过滤等。该结果和传统单片机作为控制芯片的超声预警避障技术相比，精度有了较大的提高。