- 基于单接收头的超声波多目标测距[图]

阈值的选取，决定本测距系统的测量精度。由于回波的能量大小受入射角、反射面大小、形状和材质、空气的湿度和温度等因素决定，为了较精确地测量文献中机器人与墙壁之间的距离，下面只针对超声波垂直入射墙壁，接受信号的大小进行分析。

在测量时，一旦有干扰物挡住超声波到墙壁的行进路径，则墙壁返回的信号将减弱，过高的阈值可能测不到墙壁回波信号，动态阈值因无规律可循而无法使用，故此阈值采用小固定值，因接收信号中的噪声峰值较稳定，固定阈值取3~5 倍噪声峰值。由于墙壁回波信号不确定地高低变化，在标定测量参数时，用示波器采集信号，以接收信号包络峰值的0. 5 倍处（即图2中N= 4 或5 处的时间）作为距离信息。这样处理的目的是：即使接收信号过强或过弱，测距误差始终在3~5 cm 以内。当N过大时，盲区会增大同时测量精度也会下降，见图3.

多目标测量要能区分出两个不同目标。由于阈值取得小，则系统的分辨能力很差，从图2上可看出接收信号经1. 5 ms 后正弦幅值是包络峰值的0. 015倍。图2的波形只有在超声波垂直入射墙壁时才能得到，在大多数情况下接收信号从起振到包络峰值基本固定，但是接收信号从包络峰值以后各不一样，一般从起振经1. 5 ms~2ms 后都会降到阈值以下。

在测量墙壁距离时，只要干扰物与墙壁保持30cm以上距离则墙壁距离能较精确获得。

3 系统硬件

C8051系列单片机具有丰富的模拟、数字外设和多种总线接口，支持在线编程，是很多测控系统的首选。系统硬件框图如图4 ,C8051F021有5 个定时器，5 个PCa通道，测4 个方向的超声波传感器发射头可共用1个40kHz 方波信号，实行同步发射；4 个接收头可接入PCa的4 个通道。信号放大电路的放大倍数在800左右，即使接收信号经过带通滤波器，噪声峰值也达30mv.

图4 单接收头多目标测量电路框图

图5 用示波器标定系统（只有一个发射头和一个接收头）

4 系统软件

系统软件基本构架如下：

void maiN

{ cONfig ; Ea= 1; While （1）{} ; }

void time0_inter interrupt 1{}

void time1_inter interrupt 3{}

void time2_inter interrupt 5 {}

void time3_inter interrupt 14 {}

void time4_inter interrupt 16 {}

void PCA_inter interrupt 9 {}

初始化程序config : I/ O 交叉开关配置；使用外部时钟，指定系统时钟；time 0~4 中断使能，其中time 0溢出中断发生，产生40kHz 方波信号输出；PLa中断开启。

中断函数time0_inter :产生5 个40kHz 方波信号输出后关闭time0中断，TF0= 0; PLa溢出、边缘捕捉中断开启。

中断函数PCA_inter :若是溢出中断发生（30ms）,则关闭PCA_inter 中断，CF = 0,开启time0中断；若是CCFN= 1,则记下定时器时间（与初值相减后代入标定式得距离）,给定time N计时初值并启动time N溢出中断（2ms）, 关闭CCFN中断，CCFN= 0.

中断函数time1_inter ~ time4 _inter : 当time N中断发生则开启CCFN中断，关闭time N中断，TFN= 0.

5 结语

本文对单个接收头在一次采样时间（30ms）内测量多个目标进行了尝试，仿真并分析了接收信号波形，用0. 5倍包络峰值标定而用小阈值测量，在2个目标与接收头距离之差大于30cm 以上时能较精确测量出2个目标，误差不超过2cm.

由于一次能在同一时刻测多个距离，增大了超声波传感器捕获的信息量，移动机器人装配了该传感器能在人员不是密集的动态环境下根据4面墙壁定位。