压路机主动防撞智能测距系统设计与试验

陈步童，李胜永，朱志忠，侍俊光，吕承琪

（江苏航运职业技术学院交通工程学院，江苏南通226010）

压路机是修建交通基础设施的压实机械，在周期性连续作业过程中，伤人和碰撞事故频发。因此，加强其主动防撞方面的智能化研究，优化智能测距系统设计显得尤为重要。通过在压路机车体的前后方不同位置并列安装多个超声波传感器，在RS485总线上挂载多个超声波测距从站，从站将多路超声波测距回路采集的信息进行汇总，经RS485总线传输给中间控制板进行实时处理后送给压路机中央控制系统，有效节省了中央控制系统的处理器资源，简化了中央控制系统的硬软件。

1 系统原理及总体设计

1.1 测距原理

超声波测距的最常见方法是渡越时间法。超声波发射传感器在控制模块的作用下向外发射超声波，遇到障碍物后反射产生回波；超声波接收传感器接收反射回波，并将回波信号送回控制模块；控制模块通过检测超声波发射与接收之间的时间差Δt（渡越时间）和超声波在空气中的传播速度c，计算出目标障碍物的最近距离s和方位（s=cΔt/2，c一般取344 m/s），并由显示电路显示障碍物最近距离和方位［1-4］。

1.2 总体设计

系统主要由中间控制板、超声波测距从站和其他RS485总线节点等组成，如图1所示。图中，超声波测距从站包含多路传感器，其他RS485总线节点包含温度补偿模块、液晶显示模块和电源电路模块等。中间控制板通过RS485总线与超声波测距从站连接，超声波测距从站通过安装于压路机车体前、后横梁侧面的多路超声波传感器，实时测量压路机前、后方目标障碍物的最近距离和方位信息。中间控制板按照设定的时间间隔获取各从站信息，经汇集处理后向中央控制系统发送数据结果。系统采用STC15W1K16S单片机作为中间控制板、超声波从站及温度补偿模块、液晶显示模块、电源电路模块等部分的控制和处理核心，从而有效保证了数据获取的实时性。

图1 系统总体设计Fig.1 System overall design

2 硬件设计

2.1 中间控制板设计

中间控制板位于中央控制系统与从站之间，接收中央控制系统的命令并向中央控制系统发送数据；通过RS485总线向各超声波测距从站及其他总线节点发送命令，并接收各超声波测距从站及其他总线节点的实时数据，硬件包含RS485模块和通信模块。中间控制板通过串口进行协议通信，是超声波测距从站和其他RS485总线节点信息汇总的主节点，通过挂载测距从站个数的变化，实现超声波测距回路的增减。

2.2 从站设计

前、后超声波测距从站分别包含4组超声波测距回路，每组超声波测距回路由超声波探头、超声波收发电路、双四通道模拟多路复用/分解器4052、超声波回波放大滤波电路、温度补偿电路、液晶显示电路、电源电路、STC15W1K16S单片机和MAX485等组成。其中，温度补偿电路的环境温度采用DS18B20检测，液晶显示电路选用LCD12864液晶显示器进行相应内容显示。每组测距回路分别拥有回波的一级滤波放大电路和STC15W1K16S单片机产生触发信号I/O口，共享STC15W1K16S单片机控制内核和MAX485通信模块，超声波测距从站硬件结构如图2所示。前、后超声波测距从站以STC15W1K16S单片机为控制核心，同时在4组超声波测距回路的I/O口发送触发信号，通过MAX232和外围辅助电路组成的振荡回路向外发出4个40 kHz的脉冲，并同时选中4052通道，进入发射电路激励传感器并向外发出超声波，超声波传播过程中遇到目标障碍物后产生反射回波，反射回波经接收电路进行信号处理后进入4052，经放大滤波电路处理后进入STC15W1K16S单片机的ADC通道，计算获得目标障碍物的最近距离和方位，并保存传感器所在通路，由MAX485向中间控制板发送目标障碍物的最近距离与方位信息［5］。

图2 超声波测距从站硬件结构Fig.2 Hardware structure of ultrasonic ranging slave station

2.2.1 超声波收发电路

STC15W1K16S单片机发出的触发信号进入4052通道，通过MAX232和外围辅助电路组成的振荡回路向外发出4个40 kHz的超声波。超声波传播过程中遇到目标障碍物后产生反射回波并返回，超声波接收传感器将接收到的反射回波送到TL074进行信号放大处理，然后进入4052相应通道。超声波收发电路如图3所示。

图3 超声波发射电路和接收电路Fig.3 Ultrasonic transmitting circuit and receiving circuit

2.2.2 超声波放大滤波电路

超声波接收传感器接收的回波信号经接收电路处理后信号较弱且存在干扰，由高通滤波电路、带通滤波电路对信号进行过滤处理和放大，经过滤处理和放大后的信号经分压电路进入STC15W 1K16S单片机的ADC模块。若ADC模块检测到的电压值大于设定的电压阈值，则判断为回波信号并计时，据此得到超声波的传播时间，测得目标障碍物的最近距离和方位。具体设计电路如图4所示。

图4 超声波放大滤波电路Fig.4 Ultrasonic amplifying and filtering circuit

3 软件设计

3.1 中间控制板软件设计

中央控制系统向中间控制板发送命令，中间控制板向中央控制系统发送处理后的数据，中间控制板利用RS485总线向各超声波测距从站及其他总线节点发送命令，并接收各超声波测距从站实时测得的目标障碍物最近距离与方位信息及其他总线节点的相关信息。系统开始工作时，首先对中间控制板进行初始化，然后中间控制板向前、后从站及其他总线节点从站发送访问命令，若中间控制板收到前、后从站及其他总线节点从站的数据信息，则处理并保存接收到的数据信息；若前、后从站及其他总线节点从站未响应，则再次发送命令，直至中间控制板收到前、后从站及其他总线节点从站数据，处理并保存所接收到的数据为止；当前、后从站及其他总线节点从站访问结束后，等待中央控制系统的命令，当中间控制板收到中央控制系统命令后则向其发送最终处理的数据，中间控制板流程如图5所示［6］。

图5 中间控制板流程Fig.5 Intermediate control board process

3.2 从站软件设计

前、后超声波测距从站的功能是利用分别安装在压路机前、后车架侧面的8组超声波传感器进行测距，接收中间控制板的命令，并向中间控制板发送8组超声波传感器测得的目标障碍物的最近距离和方位信息。前、后超声波测距从站都有确定的地址，当中间控制板向前、后超声波测距从站发出命令时，地址匹配的从站向中间控制板发送目标障碍物的最近距离和方位信息数据。每个从站主程序在系统开始工作时，首先对系统进行初始化，然后调用超声波发射子程序，并打开定时中断，定时中断在延时1.2 ms后调用回波处理子程序，判断回波并计算探头至目标障碍物的最近距离和方位。当从站接收到中间控制板的命令且地址匹配时，则向中间控制板发送实时精确数据，否则，本次循环结束［6-7］。超声波从站软件运行流程如图6所示。

图6 从站软件运行流程Fig.6 Operation process of slave station software

4 通信协议及差错控制

系统以中间控制板为主站，前、后超声波测距回路以及其他RS485总线节点为从站，主从站之间采用RS485协议进行通信。主站以发送地址和指令的方式向从站发送数据，从站以中断方式接收数据，当某个从站的地址与主站匹配时，从站向主站发送数据。前、后从站发送的数据分别为前方、后方的4组探头测得的目标障碍物的最近距离和方位，且每组探头均用两个字节表示测得的目标障碍物最近距离，需对前、后从站发送的数据进行差错控制，以确保数据传送的正确性。为此，主站在向前、后超声波测距从站发送问询命令时加入起始、结束标记，且标记不与从站应答中的数据相同，避免其他从站将数据中的某一部分误判为主站的问询命令；在从站发送的目标障碍物最近距离值和方位数据中加入校验码，避免主站接收的距离值和方位数据产生错误；主站在向某一从站发出问询时，若未在规定时间内收到该从站的应答，则认为此次问询失败，并重新发出问询，若3次发出的问询均失败，则记录问询失败次数，并向下一从站发出问询。为防止主站发出第2次问询时收到从站第1次问询的应答，在主站发送问询命令和从站发送应答数据时分别加入问询次数，仅当主从站问询次数相互匹配时，本次通信才成功［6-7］。

5 试验验证及误差分析

5.1 超声波探头布局

超声波探头波速角通常在30°左右，多组同时工作时数据会产生干扰。为此，在每个超声波探头上增加一个号角以增强指向性，其测距范围类似图7（a）所示，在其近端和远端会产生测量盲区，使所测距离不可靠。将超声波探头以间隔布局的方式安装在压路机前后横梁的侧面，使相邻两组探头的测距范围交叉重叠，且探头探测的远端极限距离随布局间隔的变化而变化。设计得到的相邻两组超声波探头最优间隔距离为40 cm，近端极限距离为30 cm，远端极限距离为120 cm，效果如图7（b）所示。

图7 超声波探头布局Fig.7 Ultrasonic probe layout

5.2 试验效果

以戴纳派克CC522型钢轮压路机为载体，在其车架的前后横梁侧面分别安装了4组超声波探头，以便探测到压路机车体前、后的所有目标障碍物，并做到无盲区。前、后超声波测距从站分别包含4组回路，通过前后2个RS485总线从站节点实现这一功能。压路机碾压作业最高速度为0.9 m/s，探头的测量周期为200 ms，则实际极端盲区极限为48 cm，保证在大于近端极限距离小于远端极限距离区域的目标障碍物被探测到。

选取超声波探头到实验壁之间的水平距离为设定距离，由钢卷尺测量测得：液晶显示屏上显示的距离为测量距离，系统水平测距验证数据如表1所示，最大相对误差为1.666 6%，能够满足水平方向目标障碍物的检测；当探头安装在距离地面约为60 cm时，可探测到40～80 cm高度的目标障碍物。测试现场选取40 cm左右高的石墩，超声波传感器安装在离地60 cm处，约在1.5 m处可以检测到；对一定高度的人约在1.5 m处可以稳定检测到；对细铁杆、铁栅栏约在1.2 m处可以被检测出来。同时，将试验数据分辨率确定在cm级，选取量程为30～400 cm，以验证测试数据的精确性，系统满量程测试的结果如表2所示。试验结果表明：在确定的量程内，满量程测距相对误差仅为0.5%。

表1 系统水平测距数据Tab.1 System level ranging data

5.3 误差分析

渡越时间是影响目标障碍物最近距离和方位的重要因素，除采用速度较快控制器、运行电路、增大接收回路放大倍数等硬件外，还应考虑软件执行时间消耗误差、激励信号序列收发启停计时间隔差、测距盲区计时间隔差等因素的影响和超声波在空气中的传播速度受环境温度、湿度、大气压力等因素影响。其中，环境温度的变化对其影响最大。为此，系统中加入了温度补偿模块，减小了系统超声波波速值变化，使系统在各种环境温度下实时精确测得超声波在空气中传播速度，提高了超声波波速测量精度。超声波传感器采用电压阈值法检测回波，由于超声波在传播过程中幅值是不断衰减的，当被测距离较小时，第1个回波脉冲到达时就被捕获，误差较小。当被测距离较大时，可能在第4个或更靠后的回波脉冲才被捕获，这样就造成回波传输了一定的时间后才会被捕获到，产生较大误差。超声波探头易产生比邻信号串扰现象，超声波入射到目标障碍物处存在一定的入射角，且经过多次反射才被探头接收，使测量所得的距离比实际距离稍大，产生测量误差。由于测量误差具有一定的随机性，因此，实际测量时应通过多次测量后取其平均值，以减少测量误差［7-8］。

表2 满量程测试数据Tab.2 Full scale test data

6 结语

本文提出基于RS485总线及多路超声传感技术组建的压路机主动防撞智能测距系统，利用RS485总线与中间控制板组网，采用高速单片机STC15W1 K16S微处理器，使用RS485多从站布局，进行了系统硬件、软件设计，主从站间采用了485通信协议并进行差错控制。通过将收发分离式超声波探头以间隔布局的方式安装在压路机前后横梁的侧面，使相邻两组探头的测距范围重合一部分，现场测试系统水平测距最大相对误差仅为1.666 6%，满量程测距相对误差仅为0.5%，确保了系统的可靠性和测试数据的精确性，使压路机在碾压作业时具备了主动防撞和人身安全保护功能，可有效防止压路机碰撞和伤人事故的发生。该设计已在有关施工企业的压路机上试用，整体效果较好。