超聲聚能器預警避障技術研究

東鑫淵

（ 西安思源學院，陜西 西安710000）

如今，預警避障技術在工業中具有廣泛的應用，使得機械在運行過程中能夠順利躲避障礙物[1]。在預警避障技術中可以利用聲吶、紅外線、羅盤、視覺和超聲波等方式對障礙物進行判斷，其中使用超聲波進行測距避障具有更好的應用效果。超聲波測距系統中主要以單片機作為主控芯片，雖然這種方式有利于節約系統的成本，但是單片機在運行過程中會存在比較大的延時誤差，所以其測距精確度和可靠度會降低[2]。

文章為了增強預警避礙技術的功能，在超聲波測距系統中使用現場可編程門陣列代替單片機，主要從硬件和軟件設計兩個方面進行研究，旨在增強預警避障的精確度和可靠性。

1 超聲避障原理

超聲避障原理主要是利用超聲波進行測距，超聲波在空氣中的傳播速度已知，并且該速度大致上不會發生變化，所以只需要測得超聲波發出和接收的時間，即可計算出距離。

超聲波測距可以分為兩種，分別為直接測距和間接測距[3]。直接測距方式的原理是超聲波發射端發出超聲波之后，另外一個接收端會接受到超聲波信號，從發射超聲波開始計，測得接收到聲波時間，根據超聲波速度就可以測量出距離。間接測距方式的原理是超聲波的發射端和接收端在同一位置，當超聲波發射出去之后，會遇到障礙物，超聲波會反射回來后被接收到，測量出發出超聲波到接收超聲波所用的時間，根據超聲波速度就可以測量出距離。

2 基于超聲波測距的預警避障技術

2.1 硬件設計

為了增強預警避障技術的使用性能，在其中所使用的超聲波測距中使用現場可編程門陣列作為主控。由于現場可編程門陣列能夠通過JTAG 下載線直接將程序寫到片外Flash 中，于是可以實現在線編程調試，所以使用現場可編程門陣列還能夠給系統的設計帶來很多便利。

于是在接下來對預警避障系統的硬件設計中主要從以下四個方面進行分析，分別為超聲波發射方面、超聲波接收方面、顯示方面和報警電路方面。

現場可編程門陣列對超聲波驅動信號和時鐘進行控制，當信號產生之時，時鐘會開始進行計數，然后超聲波會被檢測障礙物發射回來，發射回來的超聲波信號在外界傳播過程中會受到各種因素的影響，然后超聲波接收模塊會對超聲波進行過濾然后放大，最后現場可編程門陣列會對回來的超聲波信號進行檢測和計算，即可顯示輸出結果。

（1）發射電路

超聲預警避障技術中的放大電路使用的是三極管8050，如圖1 所示。

圖1 超聲波發射電路設計

（2）接收電路

由于超聲波接收電路中回波信號較微弱，為了能夠準確接收到超聲波，將回波信號放大到大致3.3V，且為方波。圖2 為接收電路，其中兩極放大電路為NE5532 低噪運算放大器，來提高預警避障的精度。

（3）預警電路

預警電路的作用是使系統發出提醒避免接觸到障礙物。系統設計一個蜂鳴器和三極管，如圖3 所示。三極管的作用在于將功率進行放大，然后可以驅動蜂鳴器使之發聲。

圖3 預警電路設計

2.2 軟件設計

由于現場可編程門陣列中每個進程都是并行執行，而且屬于每個相互獨立的模塊，所以軟件程序設計將不同模塊由上至下獨立設計，對每個獨立的模塊進行仿真驗證和編譯。

3 測試結果

將障礙物設置在探頭的1m 和0.5m 處，分別進行五次實驗，如表1 所示的檢測結果，通過將數碼管顯示結果和實際結果進行比較，發現預警避障的準確率提高，但還存在一定誤差，主要因為傳播時會受到各種因素影響，超聲波接收器沒有完全的對超聲波進行過濾等。該結果和傳統單片機作為控制芯片的超聲預警避障技術相比，精度有了較大的提高。

表1 預警避障技術使用的測試結果

4 結論

超聲聚能器預警避障技術在使用現場可編程門陣列替代單片機，可以提高預警避障的測量精度和及時性。文章從軟硬件兩個技術方面進行研究，保證系統響應速度和精度要求，且該技術可以廣泛用于工程避障，自動導航和安全預警等各領域中。