发布时间：2022-03-12 02:04:04
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的超声波传感器样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
关键词：超声波传感器；移动机器人；最近点；探测系统
中图分类号：TPl8
文献标识码：B
文章编号：1004―373X(2008)04―156―03
移动机器人要获得自主行为，其最重要的任务之一是获取关于环境的知识。这是用不同的传感器测量并从那些测量中提取有意义的信息而实现的。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到实际应用。超声波传感器以其性价比高、硬件实现简单等优点，在移动机器人感知系统中得到了广泛的应用。但是超，声波传感器也存在一定的局限性，主要是因为波束角大、方向性差、测距的不稳定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多个超声波传感器或采用其他传感器来补偿。为了弥补超声波传感器本身的不足，又能提高其获取环境信息的能力，本文设计由一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统。
1 超声波传感器的探测原理及方法分析
超声波传感器的基本原理是发送(超声)压力波包，并测量该波包发射和回到接收器所占用的时间。
L＝c×t/2
(1)
其中，L为目标距超声波传感器的距离；c为超声波波速(为了简化说明，本文以下讨论的测量距离时不考虑波速受温度的影响)；t为发射到接收的时间间隔。
由于用超声波测量距离并不是一个点测量。超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，左右约30°的扩散角。事实上，式(1)计算度越时间的方式是基于超声波成功、垂直的反射名义下进行的。但对于移动机器人很难保证其自身运动姿态的稳定性，采用超声波传感器固定在移动机器人车身的探测方式，当移动机器人偏离平行墙面时，探测系统往往很难得到实际的距离。另外，超声波这种发散特性在应用于测量障碍物的时候，只能提供目标障碍物的距离信息，而不能提供目标的方向和边界信息。这些缺陷都大大限制了超声波传感器的实际应用和推广。
本文在通过理论的分析和不断地试验的基础上，采用四相步进电机带动单个一体式超声波传感器旋转的方式，组成一个动态的感测系统。
2 一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统
2.1 结构设计
实物照片如图1所示，超声波传感器焊在PCB板上，板子通过钢管树起，钢管另一端和步进电机轴相连，步进电机固定在机器人底盘下方。传感器控制信号与输出信号通过信号线和车身上的控制板相连。另外在超声波传感器的探头前加一泡沫材料制成的圆台形套筒，上口直径为22 mm，下口直径为16 mm，高20 mm。这样发射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。为了机器人自我调整姿态，需要确定其自身的转动方向和基准位置。因而自制一片由直射式红外光电传感器和转盘组成的简易光电编码器。2个直射式红外光电传感器分布如图2中2个Ⅰ，Ⅱ所示以180°间隔水平安置在机器人小车车身两侧边的中点连接线上。转盘与转臂连接在同心圆上，如图中外圆所示，1，3刻线间相隔27°；2，1刻线相隔180°，其中1刻线与超声波传感器的中心保持在同一水平线上。Ⅰ单独导通作为基准坐标，Ⅰ，Ⅱ同时导通用来判断旋转方向，Ⅱ单通作为机器人沿墙回归时的导航基准。
通过步进电机带动一体式超声波传感器转动，以传感器中轴垂直于机器人车体的方向作为其自身姿态调整的坐标基准，步进电机采用4相4拍步距角为1.8°，每转1步，超声波传感器检测1次，将测量值通过串口送上位机。
2.2探测系统硬件设计
探测系统硬件主要由超声波发生电路、超声波接收电路，步进电机调速模块等组成。如图3所示，系统的核心为单片机89S51，主要完成信号的发射和接收、控制步进电机、并传送数据给机器人上位机进行处理。
超声波的发射电路采用单片机ATM89$51的P11口输出发射脉冲，由74HC04作为驱动来连接超声波传感器，74HC04是为了增强其输出电流的能力，提高超声波传感器的发射距离。
超声波接收处理电路采用集成电路CX20106。CX20106为红外接收专用集成电路，在此利用CX20106作为超声波传感器接收信号的放大检波装置，亦取得良好的效果。CX20106中前置放大器接收到超声波接收探头的反射信号后，对信号进行放大，电压增益约80 dB。然后将信号送到限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经过整形后，由7脚输出低电平。7脚输出的脉冲下降沿通过单片机INT0口输入。如图4所示。
一体式超声波传感器发射电路与接收电路都用相同的传感器引脚输入／输出，如不将输入／输出隔离开，接收电路与发射电路会相互影响，采用CMOS双向模拟开关CD4066BE实现发射与接收的隔离。步进电机控制模块，采用环形脉冲分配器1297+双H桥功率集成电路L298的控制方式。单片机的P1.6，P1.7，P2.3分别接L297的CW，clock，enable控制端，控制电机的正反转、时钟信号、启停。
2.3探测系统软件设计
探测系统的软件主要由主程序模块、中断服务程序模块、传感器发射接收模块组成。这里主要对探测系统主程序模块加以说明。主程序流程图如图5所示。
超声波传感器和步进电机测控模块分属不同的单片机控制，因此感测系统与移动机器人的上位机必须依靠单片机间的I／O口线及串行异步通讯实现。标志位T是用来切换动作，T=O，OFF=0同时满足时，是超声波传感器寻常的探测过程；T=1，OFF=0时是每一个循环测量前调整方位角用；OFF=1是等待下一次动作。计算回波的时间采用定时器TO，因此距离值d=0.334×(THO×256+TLO)／2。每测完1次，给步进电机1个触发脉冲。然后判断下一个动作，是做传感器探测还是机器人自身方位角调整，这样又进入一个新的循环。
3 探测系统在移动机器人上的实验与应用
3.1 寻找离墙最近点
本文在寻找离墙最近点的设计思想是基于超声波测距。选择时间度越式的测距方法，通过对接收回波阈值的设定和探头前加一具有吸音作用的套筒，来限制超声波传感器接收范围。实验所测在距离75 cm时其发射波束角在土20。左右，能接收反射波的有效角度大约在±40°范围内。
超声波传感器的近似圆锥形的波束，决定了其每一次所测距离是最近点的反射距离。如图3所示，当波束角度 即使偏离到虚线所示，其实际所得距离仍旧是沿波束中心线所测的值。按理论上说在发射波束角度内所测的距离应该是相同的，但由于超声波传感器起震时间、以及接收阈值的设置，包括墙面的反射情况等都会对距离的测量造成一定的影响。由实验测得，当在一定的角度(约±20°)内，其测量的距离值变化不明显，其相邻值比较接近(不超过2 mm)。当偏角继续增大时，相邻测量值变化也明显增大。因而一种方法就是利用这2个临界点，来找寻其波束与墙垂直的角度(即与墙距离最近点)，步进电机带动超声波旋转找寻这2个临界点。当连续检测到两相邻的值低于2 mm时，认为已进入稳定区，则前后出现变化的点设为临界点，在这临界点内的所有点都记下来，然后求取中点，中点位置即是墙面与超声波传感器的最近点。如图6所示为其中一组所测数据，在72°～108°内，是距离测量的稳定区域，而在这之外，所测距离的相邻偏差超过8 mm，而且随着角度的旋向两边时将进一步拉大。在50cm与200cm内改变一体式超声波传感器与墙面距离进行实验，其结果与墙面垂直角度所测误差限制在2个步距角内。
3.2探测系统应用于机器人沿墙导航
自主式移动机器人是在运动过程中探测当前环境的信息。每次探测的距离信息都以当前机器人的运动姿态为前提来测量。而在沿墙直线行走过程中，机器人是通过测距和自身姿态的共同感知保证运行轨迹的准确性。超声波测距已被广泛运用，在试验超声波探测角度与测距的关系后，则可以根据计算最近点的方法用超声波传感器来测量车身的方位角(确定自身姿态)。所测最近点是机器人实际与墙面的距离，通过简易编码器上的直射红外传感器l来确定机器人的基准坐标，根据步进电机每一步走过时存储的信息来计算最近点。在基准坐标和最近点间，用步进电机所走过的角度确定机器人与墙面的偏角，然后偏角传达给车轮驱动控制系统以调整方位角。
3.3搜寻障碍物
采用步进电机带动超声波传感器旋转的方式在功能上近似于多传感器检测。移动机器人通常采用周身围绕固定多个超声波传感器来获取更多的信息，从而增加搜索障碍物的范围，确定目标方向和边界信息。与之相比，采用旋转的方式的一个优点，就是可以根据障碍物的紧密程度自动调整检测的密度。采用增加传感器的数量是受自身条件限制的，而旋转方式的紧密只和步进电机的步距角相关。检测密度的增加可以大大提高对角度的分辨力，从而加强对目标方向和边界信息的确定。
[关键词]波动 液面 干扰 测量
中图分类号：TM125 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0258-01
在正常的录井过程中，经常会碰到体积波动范围有点大的情况，反映在录井曲线上就是一些毛刺，这种情况对于准确判断井涌和井漏造成很大的干_，譬如图中VOLpit2曲线反应体积2时不时的发生波动，且波动范围比较大，在录井作业过程中必须消除这种现象，提供一个准确的录井参数。
1 体积传感器的测量原理
超声波体积传感器从换能器发射出一系列超声波脉冲，每一个脉冲由液面发射产生一个回波并被换能器接收，并采用滤波技术区分来自液面的真实回波，及由声电噪声和运动的搅拌器液面产生的虚假回波，脉冲传播到被测物并返回的时间经温度补偿后转换成距离[1]。
西门子probe体积传感器接法：红色接电源正极，黑色或者蓝色线接电源负极，是信号的输出，还有一根是屏蔽线，性能指标 测量范围0.25―5m，精度0.25%，输出信号4-20mA，工作电压0-24V，工作温度40C--+60C，防护等级IP65。
2 毛刺这种现象原因分析及解决措施
对于毛刺这种现象，经过仔细分析，有以下几种原因：
（1）探头被脏物覆盖
传感器探头表面较脏，录井作业人员未进行有效的清洁保养，造成声波测量返回来的高度有较大的波动，此时应该擦洗探头，保证探头面的整洁.
（2）传感器安装不合适
循环罐上提供给提供给体积传感器的孔太小，或者孔和探头对偏，造成超声波传感器探头一部分照射在液面上，一部分照射在罐面上 ，测得的液面高度有波动。
传感器下方有金属遮挡物.譬如，在入口的地方同时安装体积传感器，温度传感器，电导传感器，密度传感器，他们的距离比较近时， 电导传感器下面的金属圈挡住探头，此时应该拉开他们之间的距离，体积传感器也不能安装在靠近罐壁死角的地方，容易造成对反射波的干扰。
（3）超声波传感器参数设置不合理
正式录井前，应该测量好满灌和空罐的高度和对应的体积，设置好传感器的最低高度，最高高度，盲区等。
传感器的所有型号在出厂时都被调试过，测量最大距离时（容器空时）是4mA，最小测量距离时（容器满罐时）是20mA，同时按下传感器上的4mA， 20mA两个键，会出现测量最大距离，然后再按传感器界面上的4mA， 20mA两个按键设定最远距离， 同时按下传感器上的4mA， 20mA两个键两下， 会出现测量最小距离， 再按传感器界面上的4mA， 20mA两个按键调节距离设定最近距离， 同时按下传感器上的4mA， 20mA两个键三下，可以设置传感器的测量盲区， 再按再按传感器界面上的4mA， 20mA两个按键调节距离设定盲区[2]。
（4）超声波传感器信号扰
超声波传感器如果安装在离心机旁边，离心机不停的搅动，就会对超声波体积传感器造成干扰，此时应该远离搅拌机，重新选择位置超声波传感器的安装位置超声波传感器。
通道有信号干扰，应该接好屏蔽线正确接地，消除电场干扰减小分布电容亦即增加线间距离是消除干扰非常有效的方法。因此，在现场设备安装时采用了合理布线，使传感器信号线远离了动力电缆， 将强、弱信号线电缆分开铺设，以便尽量减小线间的分布电容，从而消除电场对信号的干扰。[3]。
（5）钻井液气泡对超声波传感器测量的影响
在某些区块的钻井过程中，如果钻井液中有较多的气泡，这样容易造成超声波测量的不准确，这时候只有建议井队调整钻井液性能。
稳定的气泡产生必需以下条件：分散介质，与分散介质不相溶的气体，表面活性剂，适当的搅拌条件。对钻井液而言，这些条件均是具备的，因此，钻井液起泡现象是常见的，只是起泡程度有大有小而已， 当遇到地层的时候，地层中的各种气体易扩散侵入钻井液中。之后就会产生气泡，处理剂分解产生气泡。处理剂分解的时候会产生气体，进而产生气泡，搅拌时会使空气进入也会产生气泡，可以根据情况，加入消泡剂等材料。
（6） 超声波传感器性能的下降
任何一个传感器都有一个使用期限， 使用较长的时间，探头的灵敏度逐渐会老化，当性能不佳造成测量钻井液液位波动较大时，应该立即更换新的超声波传感器。
3 总结
造成体积波动的原因很多，具体来说也就文中列举的6条因素，在实际工作过程中可依照上述原因，有效的解决曲线毛刺现象，为钻井工程提供一个准确的异常预报。
参考文献
[1]李军 智能型超声波液位传感器及其应用 《中国高薪技术产业》 2009，12，P32
[2]钻井液液位传感器说明书 SIMENS PROBE
关键词：物联网；全自动；电饭煲
中图分类号：J524 文献标识码：A
文章编号：1005-5312（2012）20-0283-01
一、背景技术
基于物联网概念的全自动电饭煲主要功能包括：电饭煲信号接收端接受用户通过手机发送的信号，控制电路和机械动作实现电饭煲的自动定量取米、淘米和煮饭过程，温度和超声波位移传感器应对诸如停水、温度过高等意外情况。此外，应用电子阀门，动作精确稳定，保证电饭煲的整体性能稳定。当人们刚下班或者正在堵车的路上，只需要用手机发送一个短信到该产品的接收端，就能完成对该产品的远程控制。该自动煮饭机接受到信号后，就能依次完成定量取米、搅拌淘米、压下煮饭开关等动作。本实用新型电饭煲巧妙地将机电和通信相结合，能提前自动完成淘米、煮饭等功能。能有效节省人们的休息时间，并提高生活质量，十分具有现实意义和应用价值。煲的整体性能稳定。
二、方案设计
（一）机械模块
机械模块由预加水模块、加米模块、淘米模块和煮饭模块组成。
各部分功能如下：为了便于计算米量，当信号接收端接收到信号后，单片机控制电磁阀打开，当水量达到预定高度20mm（通过超声波传感器检测水位），电磁阀关闭，完成预加水。加米模块主要由超声波传感器、电磁铁、锥形塞组成，电路芯片控制电磁铁通电，塞锥上提。待米下降一定高度，超声波传感器用于检测水位，单片机计算出两次的水位差，当水位差达到预定值(70mm)，电磁铁断电，塞锥自由落下，加米过程完成。淘米模块由驱动叶片、传动轴和搅拌叶片组成，当位于顶盖检测水位的超声波传感器检测水位达到预设值（90mm），发出信号，通过电路芯片控制电磁阀通电，水进入驱动空间带动驱动叶片，实现淘米功能；待水位达到预定值（120mm），电磁阀1断电，电磁阀2通电，将废水排出，待水完全排出，超声波传感器发出信号使该电子阀门关闭，淘米过程完成。这时需要加煮饭用的水，同样水位高度达到120mm。煮饭模块主要由电磁铁2和3、锥形塞组成，实现煮饭功能。待煮饭用水水位 达到120mm，电磁铁2、3通电，使锥形塞上提，当米水混合物落入锅中，超声波传感器发出信号，通过单片机控制电磁铁断电，锥形塞落下。之后，电磁铁4通电，使煮饭开关打开，触动开关后，电磁铁断电。待米煮熟后，煮饭开关自动跳到保温档，煮饭结束。
（二）控制电路
控制电路部分主要包括：物联网技术应用GSM模块、传感器组模块和电磁阀模块。
各部分功能如下：通过GSM模块实现远程与家庭中电器的远程交互并通过指令使在无人值守的情况下完成一定的工作。具体为通过GSM模块获取SIM卡的指令信息，并具体解析通过单片机处理发出信号进行相应控制，完成该机构的各个动作最后实现煮米功能。通过GSM的SMS功能和GPRS功能实现远程交互信息传递。用户只需通过手机发送信息或者通过网络发送消息就能实现远距离对电饭煲的控制，完成相应功能。当电饭煲的信号接收终端接收到用户信号，便会进行电饭煲第一个功能控制电磁阀打开进行预加水。传感器模块由一个超声波传感器和一个温度传感器组成，其功能分别如下：超声波传感器用于检测水位高度；温度传感器用于检测控制电路所在区域的温度，防止因电路故障而引起温度过高，避免意外的发生和保温材料失效导致锅内温度上传到电路箱中，影响电路正常工作。电磁阀模块用于控制进水和排水。
三、产品工作流程
当该全自动电饭煲的接收端（SIM卡）接到用户的短信命令后，首先是电磁阀打开进行预加水，待超声波传感器检测水位达到20mm，该电磁阀关闭，之后单片机控制电磁铁通电，连接杆上提，使储米器下端的锥形塞打开，生米从储米器落入电饭煲主体上部的淘米机中，待超声波传感器检测水位达到90mm，锥形塞下落关闭储米容器，自动加米动作完成。
关键词：智能移动；机器人平台；导航技术
移动智能机器人的研究方向主要包括在视觉、超声、红外等传感器的基础上，尽量建立富含动态环境模型的多传感器融合策略。但是对于移动智能机器人的研究确实需要完整开放性的实验平台。因此对于能够服务工作与生活领域的移动智能机器人的研究具有较高的研究价值。
1移动机器人控制系统控制结构和设计方法分析
1.1移动机器人控制系统控制结构分析
早期的移动机器人由于自主能力较差，往往采用单CPU或者二级CPU主从控制结构。
1.1.1单CPU集中控制结构
所谓单CPU集中控制结构即是指用一台功能全面且较强的计算机来实现全部的控制功能。但不容置否的是由于多种运算只依靠一个计算机来控制，控制过程中涉及许多计算公式，所以说单CPU集中控制的结构速度还是比较慢的。
1.1.2二级CPU结构，主从式控制结构
这种方法通过把一级CPU作为主机来担当系统管理的接口功能，与此同时把一级CPU的公用内存来作为二级CPU读取，这样一来就可以全部所有的关键位置的数字控制功能。但是这两个CPU总线之间是没有直接关系的，运转过程中仅通过公用内存交换数据。
随着人们对机器人技术的深入研究，机器人的智能性要求也越来越高。20世纪80年代智能控制领域著名学者Saridis提出三层分层式体系结构。分层式体系结构是一种以认知系统为基础的人工智能模型，能够提供一种良好智能系统的控制方式和结构，按照此体系结构设计的上下位机二级分布式结构的机器人具有较高的智能性。国外以CMU的NavLab系统和Rover系统为典型代表。博创公司生产的UP-VOYAGERII为国内此类移动机器人平台的典型代表。在此体系结构下，从信息流上看是串联关系，系统的控制行为都必须通过感知、规划、执行等模块。导致控制行为的延迟和较差的实时性。而机器人在实际工作环境有可能是动态，复杂，非结构化的，要求较高的实时性。当机器人遇到突发障碍物时，可能造成避障失败。
1.2移动机器人控制系统控制结构设计方法分析
为了使系统具有开放性，易于修改、重构和添加，本系统采用模块化的设计。共包括三大模块，各模块之间通过CAN总线进行通讯。由于CAN总线只规定了物理层和数据链路层的协议，并未规定应用层协议，为了使得平台具有更好的开放性，采用国际标准SDS应用层协议，经过实验证明SDS协议能够实现基于混合式体系结构的思想。
超声测距模块：8个超声波传感器组成1800探测范围的超声波环，由8位单片机AT89s52控制超声波的收发，实现障碍物信息的采集。超声波环的探测范围为2cm～3m，能够实现近距离障碍物的探测。
电机控制模块：用基于ARM7内核的32位单片机LPC2292作为核心控制器，实现对电机的闭环控制。能直接从超声测距模块读取数据，实现基于行为体系结构的反应式避障。接受规划层的命令实现基于分层式体系结构智能行为。
笔记本：完成移动机器人视觉定位，地图建立，路径规划等高级智能行为。
2超声波传感器环系统设计及移动机器人底层控制系统设计
2.1超声波传感器环系统设计分析
为了保证系统的稳定性，CAN控制器和单片机的复位信号由专用的复位芯片MAX708SESA提供。该芯片提供低电平复位和高电平复位两种复位信号。低电平复位用于单片机和8155复位。高电平复位用于CAN控制器复位。8155只作为IO口扩展用，端子IO/M接VCC。超声波传感器的驱动信号为2～5us脉冲，这里通过单片机的IO口P1口来产生驱动信号。8个超声波传感器采用分组循环发射的方式启动超声波，一次同时驱动四个超声波传感器。如果分别采集四路回波信号，实时性难以保证。本系统通过或门电路将四路回波信号整合成一路回波信号，通过外部中断0通知CPU。外部中断采用电平触发方式。传感器系统的程序包括两部分，一是驱动超声波传感器，并获得相应的障碍物距离信息。二是通过CAN总线与其它模块进行通信。
2.2移动机器人底层控制系统设计
与DSP具有同等性能的ARM微处理器资源丰富，具有很好的通用性。ARM本身是32位处理器，集成了16位的Thumb指令集。这使得ARM可以代替16位的处理器如96系列单片机使用，同时具有32位处理器速度。ARM嵌入式系统以其优良的性能，良好的移植性，广泛应用在各个行业。用单片机和DSP实现的系统，采用ARM处理器同样也可以实现。本文尝试用菲利普公司生产的基于ARM7内核的LPC2292芯片为底层控制系统的核心芯片。设计一种基于ARM车载嵌入式系统。根据移动机器人总体设计方案，底层控制系统需要具备读取超声波传感器数据实现基于行为的避障。接收规划层的命令控制移动机器人。对移动机器人实现闭环控制。甚至直接在底层控制系统实现地图建立，路径规划，所以底层控制系统必须具备如下基本模块：电机调速D/A模块、光电旋转编码器信息采集模块、通信模块。
3结语
综上所述，本文参考中科院CASIA移动机器人设计方案，提出一种基于混合式体系结构的分布式控制系统设计方案，实现了超声导航移动机器人的软硬件设计。并在所设计的平台上研究了在室内环境中如何利用多超声波传感器的信息建立环境地图。希望通过此次理论研究对实际发展起到促进作用。
参考文献：
[1]李磊.自主轮式移动机器人CASIA-Ⅰ的整体设计.高技术通讯，2013，11（5）：51-54.
[2]蔡自兴.移动机器人分布式控制系统的设计.中南大学学报，2015，36（5）：728-730.
[3]范永，潭民.C器人控制器的现状与展望.机器人，2015.21（1）：75-78.
你猜？有许多钱？不对！有新朋友了？不对。让我告诉你吧，轻轻地，不要给别人听见，只悄悄地给你说：我有一个机器人啦！
这个机器人是爸爸上个月从美国给我带回来的。
拆开包装，我就迫不及待地拼装起机器人来。拼完之后，我仔细地打量起它来。它呈长方形，外科是由发光的硬塑料制成，在灯光的照射下，泛出红、黄、蓝、绿、紫5种颜色。超声波传感器很灵，一碰到桌椅就会巧妙地躲开。颜色传感器和超声波传感器有所不同：颜色传感器一定要探到所设定的颜色后才会后退，而超声波传感器先发射超声波，碰到物体会返回，它就不会撞墙了。
其他的大小零件就更多了，像触摸传感器、彩色电板、彩球发射器等，一共有好几十个呢！
【关 键 词】AT89S51单片机， nRF24L01， 超声波传感器，GFSK
【中图分类号】G71【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0259-02
1 前言
由于需要测量的水池或水塔与控制室有相当长的距离，常常需要架设上百到近千米的输电和控制线路，费用大。给测量和控制带来了极大的不方便。本系统利用单片机的无线测量和自动控制系统完成了不需要架设电缆和实现水位的远程自动控制和遥测，对于工业生产和生活有极大的实用价值。
2 原理框图
应用单片机控制的水位遥测自控系统的原理框图如图1所示：
以AT89S51单片机为主要控制核心，构建成两个无线短矩离通信数字电台，利用软件控制水位传感器测量出实时的水位信息。而数据的无线传送应用Nordic公司的高速无线单片无线射频芯片nRF24L01通GFSK调制以最高达1Mbit/s的速度快速发送出去。通过设置主控制站的键盘可以远程设置水位的上下限，主控制站采用易于人机交换的LCD1602作为数据显示。采用单片机设计具有成本低、效益高的优点。另外，单片机控制系统的灵活性和程序的可移植性好。
键盘：采用独立式键盘，AT89S51的I/O口具有位驱动能力，而且所用按键数目不多，可以通过单片机软件利用查询或中断方式简单地实现各种控制。考虑到该控制软件系统和硬件系统都比较复杂，CPU需要驱动较多的电子器件，要利用到单片机内部的资源较多，所以采用独立式键盘显示模块：使用专用的LCD1602显示驱动器和LCD1602显示模块。LCD1602显示模块通过接口接收显示命令和数据，并按指令和数据的要求进行显示。LCD显示模块一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示而且不用一直扫描显示，可以减轻CPU的工作负担，使其可以去做其它更重要的处理。
液位传感器：使用超声波液位传感器，这种传感器是通过测量超声波在空气中行走时间来计算液位的实时高度。因为超声波测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，而且超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。而且它的造价也不高，且安装方便，实用性好。本设计属于近距离测量，采用常用的压电式超声波换能器来实现。超声波因其方向性好、测量精度高，已广泛应用于液位、流量、物距等方面的检测。本系统采用单片机输出40KHZ的方波经过74HC04所组成的几个与非门放大发射出去，经过一定时间延时以后再打开外中断。CX20106A接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S。在速度V已知的情况下，距离S的计算，公式如下为S=VT/2
远程测量与控制：采用无线RF射频模组进行数据传输。采用Nordic公司的收发一体的无线RF芯片nRF24L01，通过简单的几个外部连接元件可以实现最高2Mbit/S的速率传输。nRF24L01工作在全球开放2.4～2. 5GHZ波段，只要通过SPI把配置字写到nRF24L01里，就可以把所要传送的数无线传送出去，还以实现自应答和自动重发。其操作简单，成本低，且能够满足本设计要求。
3 总体硬件系统电路设计
主测控站系统设计原理详图如图2 所示：
从测控站系统设计原理详图如图3 所示：
4 系统软件流程图
（1） 测控站主程序流程图如图4所示：
（2） 超声波测距流程图如图5所示：
（3） 主控站流程图如图 6所示：
（4） 无线发射流程图如图7所示：
5 结论
本水位遥测自动控制系统对于小型水泵的控制采用慢速汲水，以确保超声波传感器测量的精度和水位控制的精度，在测量水位时，安装超声波传感器时要离容器正上方一定高度按装，以消除超声波测量的盲区。本系统是安装在容器正上方十厘米处。整套设备结构简洁，操作方便，具有比较好的稳定性，能够精确的测量液位，遇警时能自动调至正常，并且可以在允许范围内任意设定液位。通过按键可以在允许范围内任意设定水位报警的上下限，使得装置更加智能化。
参考文献
[1]朱爱红、朱宁文等，基于 AT89C51的超声波测距系统
[2]求是科技，单片机通信技术与工程实践，人民邮电出版社，2005.1
[3]徐晋、赵俊逸、黄勇，《ET13X210/221射频收发芯片原理及应用》
[4]赵亮 侯国锐编著，单片机C语言编程与实例，人民邮电出版社，2003
关键词：智能车辆；环境感知；传感器；多传感器信息融合
中图分类号：E91 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 14-0026-01
一、前言
随着社会的进步，汽车成为人们出行必不可少的交通工具，车辆堵塞、交通事故等问题也日益显现。汽车数量的快速增长造成了公共交通效率低下、交通事故频发。建立起现代化的智能交通系统便被提到日程上来。智能车辆（Intelligent Vehicles， IV）作为智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要组成部分，也是系统的运行主体，能够提高驾驶安全性，大幅改善公路交通效率，降低能源消耗量，由于众多优点，该技术的研究日益受到国内外相关机构的关注。
智能交通系统能够有效缓解交通压力，合理调配公共交通资源和道路资源。基于机器传感技术和控制技术，驾驶系统采用信息传输技术和计算机视觉技术监测道路路面、交通标志、其他车辆、行人以及交通事故等道路环境状况，有效保证智能车辆在各种路况下的安全行驶，并能对一些异常状况进行及时处理。在过去的10多年里，相关技术取得了很大的进步，有些国家已经成功开发了一些基于视觉的道路识别和跟踪系统。其中，具有代表性的系统有：LOIS系统、GOLD系统、RALPH系统、SCARF 系统和ALVINN系统等。从这些先进技术的应用便可看出，感知外部环境模块是智能车辆的核心技术。
二、环境感知传感器在智能车辆上的应用现状
智能车辆在道路上畅行离不开相应的传感技术，其中最重要的是道路环境感知模块，该模块将先进的通讯技术、信息传感技术、计算机控制技术结合起来系统利用。智能车辆系统主要有环境感知模块、分析模块、控制模块等部分组成。环境感知传感系统主要由机器视觉识别系统、雷达系统、超声波传感器和红外线传感器组成。
（一）机器视觉识别系统
机器视觉识别系统是指智能车辆利用CCD等成像元件从不同角度全方位拍摄车外环境，根据搜集到的视觉信息，识别近距离内的车辆、行人、交通标志等。机器视觉也有其弱点，容易受到环境的影响，在能见度较低时效果不理想，因此，在传感器类别中属于被动型。与雷达系统相比较，视觉识别系统价格低廉，一辆车上可以安装多处，监测范围更大，搜集道路信息更为全面，通过对其所得的图像进行处理可以识别、检测周围路况，这些也是主动型传感器无法替代的。所以越来越多的人对利用机器视觉感知车辆行驶环境产生很大的兴趣，该系统在现实生活中随处可见，普及率最高，机器视觉在智能车辆研究领域得到广泛的应用， 成为最受欢迎的传感器之一。
（二）雷达系统
雷达系统是一种主动型传感器，利用微电磁波探测目标距离、速度、方位等。雷达不需要复杂的设计与繁复的计算。雷达系统的使用不受光线、天气等因素干扰，无论是白天还是黑夜，晴天或者下雨，雷达系统都能够正常运转。由于雷达是靠电磁波反射原理来工作的，这会导致相近的不同雷达间电磁波相互干扰而影响工作效能。但是，瑕不掩瑜，由于雷达在准确提供远距离的车辆和障碍物信息方面有着得天独厚的优势，因此在车辆的防碰撞系统中有着广阔的应用前景。
（三）超声波传感器
顾名思义，超声波传感器是指利用超声波为检测方法的传感器。使用超声波探测得来的的数据处理简单、快速，超声波传感器可以发射定向长生波，能够在较小范围内检测到物置。这种技术在医学应用上比较广泛和成熟。汽车工业上的利用首见于在欧洲销售的的BMW 车上的超声波停车装置。这种系统利用一片单片机进行控制，超声波遇到障碍反射回传后，根据传感器探测距离发出不同的提示音。
（四）红外线传感器
红外线传感器是利用红外线来进行测量工作的传感器，技术更加先进。红外线传感器不受黑暗、风、沙、雨、雪、雾的阻挡，环境适应性好，且功耗低。这些特点使它远超其他传感器。与超声波传感器相比，反应速度更快，探测范围更广，由于其探测视角小，方向性和测量精度有所提高。与机器视觉结合使用，红外线传感器可以增强机器视觉识别的可靠性，使黑夜如同白昼，因此常被用于智能汽车中的夜视系统中。
三、多传感器的综合利用
在复杂的路况环境下，单一传感器都有其局限性，仅仅安装单一传感器难以提供路况环境的全面描述，因此设计智能车辆必须配置多种传感器。例如夜间行驶时红外线传感器是必不可少的；而停车、倒车时主要使用超声波、雷达探测周边障碍物的远近；机器视觉除日常应用外与其他传感器结合起来可以使得智能车辆驾驶安全性更加可靠。
随着计算机信息技术、通信技术、控制技术和电子技术的进步，智能车辆技术研究中多传感器信息融合技术的应用取得了许多令人振奋的成果。如车载系统互联技术、欧洲的Peugeo系统、美国的IVHS系统等。Tsai-Hong Hong等利用激光传感器采集图像获得车辆前方的距离信息，在正常的路况环境下，采用彩色摄像机与激光传感器联合感知道路表面和定位道路边界。这些技术经过不断改进，相信在不久的将来引起汽车工业的革命。
四、结语
在智能车辆的环境感知模块技术研究中，传感器是智能车辆控制系统的关键。如何使传感器技术更好的应用到汽车行业上来，未来将成为传感器技术研究领域的一个发展方向。
整合各种类型的传感器技术，使其为智能车辆提供更加真实可靠的路况环境信息，对智能汽车技术的发展来说是至关重要的。由于实际的应用环境所得到信息大多数都是不确定信息，传感器回馈信息融合还原真实路况还有很大的困难。
纵观全球，我国的智能车辆研究工作还处于起步阶段，同欧美日等相比还很落后。但随着我国社会经济的发展，汽车保有量不断膨胀，严峻的交通现状迫使我们把发展智能交通尽早提到日程上来，只要我们勇于创新，结合我国具体国情，不断进行深入、细致的研究，我国智能化交通必能早日实现。
参考文献：
关键字 FPGA；超声波；霍尔传感器；刹车系统
中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0081-03
0 引言
伴随着社会经济的发展，有车一族正变得日益庞大，但与此同时，交通事故的发生也变得更加频繁，许多驾驶员因此失去了宝贵的生命。而根据交通部门的最新统计，大部分事故的发生是由于车主无法及时刹车，结果造成了车辆追尾事故。在这种背景下，本文综合考虑各种因素设计了一种自动刹车系统。
1 系统原理及组成
如图1所示，本系统主要包括三大模块：测量模块，数据分析处理模块和自动刹车模块。
图1 系统原理框图
1）测量模块
这一部分主要是用来实时获取当前车辆的车速和本车、前车或者障碍物之间的距离。具体工作则是由超声波传感器和霍尔传感器测得。
2）数据分析处理模块
数据分析模块是对测得的速度和距离参数进行分析和处理。本模块内的相关软硬件将这些信息进行识别分类、分析以及计算等综合处理，得到的是汽车行驶的具体数据，比如与前车或障碍物的距离，车速的大小等参数，这些数据会作为是否自动刹车的重要参考，而这一切功能主要都是通过FPGA来实现。
3）自动刹车模块
自动刹车部分是对前面分析的数据进行建模，根据模型来判断汽车的行驶速度与状态，对当前的行驶状况进行分析，进而判断车辆是否超速，是否超过安全距离等，然后反馈给驾驶人供参考，必要时候会有语音报警提醒以及超时后自动刹车等操作。该模块包括语音报警电路和刹车控制单元。
2 硬件设计
图 2 系统硬件设计方案
2.1 传感器
传感器是将某种不易进行数据分析的信号转化为分析处理的如电信号，在本文中主要用到了检测距离的超声波传感器和检测车速的霍尔传感器，由于距离有前后，所以一次需要两个超声波传感器进行车前和车后的检测，霍尔传感器需要安装在车身底盘检测车速，图3和图4分别为超声波传感器和霍尔传感器。
图3超声波传感器
图4 霍尔传感器
2.2 微型处理器
微型处理器是此系统中数据处理分析的核心，主要功能是对汽车检测的信号进行分析处理，得到车距以及车速等数据，并对其进行建模判断车况状态。微型处理器在当前常用主要有ARM芯片、DSP芯片、FPGA芯片等，ARM类似单片机，控制管理较强，主要体现在控制功能上，DSP数据处理能力强，运行速度快，而FPGA灵活性更好，可重复性高，实时性好，本文根据分析后采用FPGA芯片进行处理。FPGA芯片主要负责完成数据处理模块和自动刹车模块的相关功能，它具有运行速度快、执行效率高、并行处理和可靠性好等突出优势。
本系统采用的是台湾友晶公司的DE2-115系列开发板，该开发板主芯片型号为Cyclone IV EP4CE115F29，它包含114，480个逻辑单元，432 M9K的内存模块，3，888 Kbits的嵌入式存储器位以及4 个锁相环，在存储配置方面，也极其丰富，完全满足本次系统设计的需求。
2.3 语音报警电路
语音报警电路的作用是：当汽车的行驶状况达到设定的标准时会产生报警信号警示驾驶人，这里的电路中运用的美国ISD公司的2500系列专业语音芯片，根据录放时间有不同的型号，ISD2500是DIP封装，片内E2PROM能达到480k的容量，十根地址线，能寻址1024位，录音时间长，支持分段录音，音质好，支持抗断电特点，并且内部集成了功放电路，因此可以直接驱动扬声器，图5为ISD2500的基本电路图。
图5 语音报警电路
3 软件设计
3.1 系统软件流程
图6表示的是自动刹车的流程图。软件流程通过两个方面同时监控实现，一方面判断距离是否达到报警距离，如果达到报警距离然后接着判断是否小于安全距离，如果未到安全距离则报警提示驾驶人，等待操作减速，如果驾驶人并未作出任何操作，等到距离小于安全距离后系统会自动刹车；另一方面判断汽车距离的相对速度是否大于报警速度，如果大于报警速度会继续判断是否大于安全速度，如果没有则先报警等待驾驶人操作，如果车速继续增加甚至大于安全速度时候则会强行刹车，以保证驾驶员的安全。
图6 自动刹车流程图
3.2 系统初始化
如图7所示，系统初始化是对汽车的数据分析计算得到相关结果。初始化后会检测到自车速度、前车速度以及车距，并实时的监测，根据两者的车速可以计算出相对速度，再根据车距等参数进行建模分析得到报警距离d1，安全车距d2，报警速度速度v1，安全车速v2，每一次实时的检测都会更新d1，d2，v1，v2，实现系统的初始化。
图7 系统初始化示意图
3.3 车距和车速计算
1）超声波测距：超声波测距主要是利用它的的强反射性能，大致工作原理如图8所示。 在接收到电信号后，FPGA芯片即可计算出前车与本车之间的相对距离H=1/2*vtcosθ。式中v为超声波在空气中的传播速度（在常温下v为某一常数）；t为超声波从发射到接收所用的时间。由于角度几乎为0，故上式可变为H=1/2*Vt 。
图8 超声波测距原理图
2）霍尔传感测速：在利用霍尔传感器进行车速测量的过程中，还需用到铁质齿轮。如图9所示，当车轮转动时 ，测速齿轮也会随之转动，进而引起齿轮和霍尔原件之间的磁通密度发生变化 ， 传感器一旦检测到这种变化就会马上输出一个脉冲信号，汽车的速度就可以通过测量脉冲的频率而得出。 具体计算公式为 : V =C*n，其中V为汽车的车速 ， C为车轮周长，n为汽车转速。
图9 霍尔传感器测速装置示意图
3.4 安全车距计算模型
假设系统认定的安全距离为d1，也即是在当前车速下，本车与前车间距不小于d1的时候才能保证安全；由于不同速度下的安全距离值不一样，所以d1的数值是在不断变化的。根据汽车制动的几个过程，我们需要考虑以下几个时间参数，包括反应动作时间tf ，制动协调时间tx，减速度增长时间和持续制动时间tz ，那么安全车距的计算模型则如式(3.3)所示：
(3.3)
上式中，V0 是刹车瞬间车辆的速度。考虑不到实际车况和其他因素，安全车距的计算模型如式（3.4）：
(3.4)
其中VA 为前面车辆的车速。
4 结论
按照前面的设计思路，可以搭建出一个相对简单的自动刹车系统。对于该系统，我们进行了多次实车验证，实验结果表明：该系统能够有效且稳定的实现汽车的自动刹车功能，完全符合设计预期。
参考文献
[1]邱亚楠.汽车防误踩油门的自动刹车系统的研究[D].中国计量学院，2012.
[2]吴迅.基于单片机的汽车自动刹车系统设计[J]. 电子测试，2009，10:53-56.
[3]陈嘉楠，杨松.误踩油门自动刹车系统制动执行装置设计[J].中国科技信息，2012，16:110.
