CN101324669A - 多路超声波传感器信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多路超声波传感器信号处理方法。单一传感器信号难以保证输入信息的准确性和可靠性。本发明采用数字处理器TMS320LF2407A，超声波传感器谐振频率为40kHz，具体方法是：将数字处理器初始化，设定多路传感器数据采集通道；定时器T1产生激励脉冲，各个超声波发射传感器接收到激励脉冲后，分别发射超声波；对应的超声波接收传感器接收到超声回波后，CAP模块产生中断，测得障碍物距离信息；如果超声波接收传感器在定时器T2的定时周期内没有接收到超声回波，则判断无障碍物，定时器T2重新开始计时。本发明通过设定不同通道的超声波发射接收通道，完成多路超声波数据采集，可以获得高精度的采集数据。

Description

多路超声波传感器信号处理方法

技术领域

本发明属于智能信息处理领域，涉及机器人研究领域的自主导航控制的避障与定位技术，具体涉及一种多路超声波传感器信号处理方法。

背景技术

实现机器人在结构化或非结构化环境中的自主移动，机器人需要具备自主定位、地图建模、路径规划以及导航控制等功能。所有机器人的智能行为都需要与环境进行主动交互，具有识别周围环境信息的能力。其中最重要的信息是距离信息，可以通过超声传感器、激光传感器等获得。由于超声传感器功耗小，简单实用，因此广泛应用于机器人领域。由于单一传感器信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，不足以反映外界环境信息，致使决策系统无法做出正确的决策。采用多个传感器则有很多优点，如多个传感器可提供同一环境的冗余信息和互补信息。但是传感器数量的增加也加重系统负担，同时假信息的传入概率也同时增加。如何对多个传感器信息进行采集与处理，使它们为决策系统提供真实的环境信息将是解决问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有机器人传感技术的不足，提供一种多路传感器数据采集与处理方法，提高移动机器人的定位精度，通过采用多传感器信息融合技术，实现机器人对周围环境信息的快速识别。

本发明采用数字处理器TMS320LF2407A作为多传感器数据采集与处理单元，超声波传感器是通用型超声波传感器，其谐振频率为40kHz，散射角为30度。具体数据采集处理方法是：

(1)将数字处理器TMS320LF2407A初始化，包括参数初始化、变量初始化、系统寄存器初始化。

(2)设定多路传感器数据采集通道，即将多个超声波发射传感器与数字处理器TMS320LF2407A对应的输出端口连接、将多个超声波接收传感器与数字处理器TMS320LF2407A对应的输入端口连接，超声波发射传感器与超声波接收传感器数量相同。

(3)设定数字处理器TMS320LF2407A的定时器T1为连续计数模式，定时器T1产生40kHz的激励脉冲，激励脉冲个数为8～10个；各个超声波发射传感器接收到激励脉冲后，分别向各自的发射方向发射超声波。

(4)使能数字处理器TMS320LF2407A的CAP模块中断，对应的超声波接收传感器接收到超声回波后，CAP模块产生中断，测得该超声波发射传感器方向上的障碍物距离信息s，

$s=\frac{1}{2}\×t\×331.4\sqrt{\frac{\mathrm{temp}+273.16}{273.16}}$

其中，t为超声波发射传感器开始发射超声波到对应的超声波接收传感器接收到超声回波的时间，temp为当前的环境温度，单位为℃。

(5)使能数字处理器TMS320LF2407A的定时器T2的周期中断，实现定时功能。如果超声波接收传感器在定时器T2的定时周期内没有接收到超声回波，则判断该超声波发射传感器方向上在测量范围内无障碍物，定时器T2重新开始计时。

(6)重复进行步骤(2)～(5)。

本发明采用多路选通技术，通过设定不同通道的超声波发射接收通道，完成多路超声波数据采集。通过设定高速处理器的定时器来周期性地发射一定序列的脉冲，来激励超声波的发射。由于采用了边沿触发的捕获中断功能，因此可以获得高精度的采集数据。为了抑制超声传感器的虚假发射波，采用了时延功能。对采集到的数据进行滤波，处理完发送给上位机，做进一步的环境地图构建、路径规划等功能。

具体实施方式

多路超声波传感器信号处理方法采用数字处理器TMS320LF2407A作为多路传感器信号采集与处理单元，通过多路选通技术实现多路超声波信号采集与处理。超声波传感器是通用型超声波传感器，其谐振频率为40Khz，散射角为30度。具体实现方法是：

(1)将数字处理器TMS320LF2407A初始化，包括参数初始化、变量初始化、系统寄存器初始化。

数字处理器TMS320LF2407A作为多路传感器数据采集与信号处理单元，需要完成多路超声波传感器数据采集与处理。因此，对于每路超声波传感器的数据采集与处理都需要事先完成设定数据变量、数据采集标志位等功能。数字处理器TMS320LF2407A也需要对自身的输入输出端口控制器以及芯片与程序配置参数，如周期中断和捕获中断等，进行初始化，才能保证多路超声波传感器信号处理系统的正确运行。

(2)设定多路超声波传感器数据采集通道，准备发射超声波。就是将多个超声波发射传感器与数字处理器TMS320LF2407A对应的输出端口连接、将多个超声波接收传感器与数字处理器TMS320LF2407A对应的输入端口连接，超声波发射传感器与超声波接收传感器数量相同。

由于数字处理器TMS320LF2407A只有6个PWM控制输出通道，6个CAP脉冲捕获输入通道，以及超声波发射传感器具有严重的散射角问题，该多路超声波传感器信号处理系统采用了多路复用器件CD4052作为多路选通开关，每次同步开启6个超声波信号采集通道，循环开启通道4次，这样多路超声波传感器信号处理系统最多可以支持24路超声波传感器。同时，将多路超声波发射传感器和多路超声波接收传感器按照程序设定的开启顺序，均匀间隔放置，保证同步开启的6路超声波传感器之间的夹角大于30度，这样既可以满足机器人在环境信息检测时的实时性要求，又有效地避免了由于超声波发射传感器的散射角带来的干扰问题。

(3)设定数字处理器TMS320LF2407A的定时器T1为连续计数模式，定时器T1产生40kHz的激励脉冲，激励脉冲个数为10个；各个超声波发射传感器接收到激励脉冲后，分别向各自的发射方向发射超声波。

激励超声波发射传感器的40kHz脉冲方波由数字处理器TMS320LF2407A的PWM控制通道产生，PWM控制脉冲的输出是通过数字处理器TMS320LF2407A的事件管理器来设定。通过设定数字处理器TMS320LF2407A的定时器T1的工作模式为连续计数模式，然后设定数字处理器TMS320LF2407A事件管理器的比较寄存器，即可获得超声波发射传感器的激励PWM脉冲。

为了能够有效的触发超声波发射传感器，又不会引起超声波发射传感器太多的余震，数字处理器TMS320LF2407A每次只发送10个脉冲方波给超声波发射传感器。超声波发射传感器在发射超声波的瞬间，有部分超声波会直接回波到超声波接收传感器，从而产生很强的虚假反射波，造成超声波发射与接收的串扰现象。为了有效地避免串扰现象，数字处理器TMS320LF2407A需要进行软件延时处理，从而避免所谓的超声波探测的“盲区”问题。

(4)使能数字处理器TMS320LF2407A的CAP模块中断，对应的超声波接收传感器接收到超声回波后，CAP模块产生中断，测得该超声波发射传感器方向上的障碍物距离信息。

利用数字处理器TMS320LF2407A的CAP脉冲捕获模块，完成对超声波渡越时间的测量。数字处理器TMS320LF2407A激励超声波发射传感器向空间发射超声波，超声波在空间进行传输，在空间碰到有效障碍物时，将产生超声波回波。当超声波回波返回到超声波接收传感器时，超声波接收传感器接收回波，并将回波信号进行信号调理后传送给数字处理器TMS320LF2407A，数字处理器TMS320LF2407A将会触发一次CAP捕获中断。此时，只需将超声波返回时的T2定时器计数值保存到相应的CAP捕获数据缓冲区即可；

根据数字处理器TMS320LF2407A的T2定时器测量得到的时间t，则测得该超声波发射传感器方向上的障碍物距离信息s为：

$s=\frac{1}{2}\×t\×331.4\sqrt{\frac{\mathrm{temp}+273.16}{273.16}}$

其中，t为超声波发射传感器开始发射超声波到对应的超声波接收传感器接收到超声回波的时间，temp为目前的环境温度，单位为℃。

(5)使能数字处理器TMS320LF2407A的定时器T2的周期中断，实现定时功能。如果超声波接收传感器在定时器T2的定时周期内没有接收到超声回波，则判断该超声波发射传感器方向上在测量范围内无障碍物，定时器T2重新开始计时。

使能数字处理器TMS320LF2407A的定时器T2的周期中断，实现周期定时功能。数字处理器TMS320LF2407A激励超声波发射传感器向空间发射超声波，超声波在空间进行传输。如果在多路超声波传感器信号处理系统测量范围内没有有效障碍物时，反射的超声波将无法产生超声波回波，超声波接收传感器将接收不到超声波回波，数字处理器TMS320LF2407A的CAP脉冲捕获模块将无信号输入。此时，数字处理器TMS320LF2407A的定时器T2将产生周期中断，即意味着空间有效障碍物距离信息大于多路超声波传感器信号处理系统的最大测量范围，此时没有任何可用的时间记录，将相应的CAP捕获模块数据缓冲区清零即可。在数字处理器TMS320LF2407A的定时器T2的周期中断服务程序中，除了获取多路超声波传感器的采集数据外，还需要将多路超声波数据采集标志复位，以方便下一次的多路超声波数据采集实现。同时，对采集到的超声波数据进行滤波信号处理，提高采集数据的精度。

(6)重复进行步骤(2)～(5)，完成多路超声波传感器信号采集与处理。

Claims (1)

1、多路超声波传感器信号处理方法，采用数字处理器TMS320LF2407A作为多传感器数据采集与处理单元，超声波传感器的谐振频率为40kHz，其特征在于该方法的具体步骤是：

(1)将数字处理器TMS320LF2407A初始化，包括参数初始化、变量初始化、系统寄存器初始化；

(2)设定多路传感器数据采集通道，即将多个超声波发射传感器与数字处理器TMS320LF2407A对应的输出端口连接、将多个超声波接收传感器与数字处理器TMS320LF2407A对应的输入端口连接，超声波发射传感器与超声波接收传感器数量相同；

(3)设定数字处理器TMS320LF2407A的定时器T1为连续计数模式，定时器T1产生40kHz的激励脉冲，激励脉冲个数为8～10个；各个超声波发射传感器接收到激励脉冲后，分别向各自的发射方向发射超声波；

(4)使能数字处理器TMS320LF2407A的CAP模块中断，对应的超声波接收传感器接收到超声回波后，CAP模块产生中断，测得该超声波发射传感器方向上的障碍物距离信息s，

$s=\frac{1}{2}\×t\×331.4\sqrt{\frac{\mathrm{temp}+273.16}{273.16}}$

其中，t为超声波发射传感器开始发射超声波到对应的超声波接收传感器接收到超声回波的时间，temp为当前的环境温度，单位为℃；

(5)使能数字处理器TMS320LF2407A的定时器T2的周期中断，实现定时功能；如果超声波接收传感器在定时器T2的定时周期内没有接收到超声回波，则判断该超声波发射传感器方向上在测量范围内无障碍物，定时器T2重新开始计时；

(6)重复进行步骤(2)～(5)。