CN105629242A

CN105629242A - 一种环境探测机器人超声波测距系统

Info

Publication number: CN105629242A
Application number: CN201410582931.7A
Authority: CN
Inventors: 何志杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-06-01

Abstract

一种环境探测机器人超声波测距系统。本发明具有采集信息速率快，距离分辨率高，体积小、质量轻、易于装卸等优点；能够使机器人可以全面地检测周围障碍物的距离信息。本发明包括超声波发送模块和超声波接受模块、单片机、障碍物；其结构特点是：所述超声波发送模块包括超声波振荡器、驱动模块、超声波换能器；所述超声波接受模块包括超声波换能器、接受放大模块、整形模块、触发器；所述超声波发送模块发送信号到障碍物，再由超声波接受模块接受信号，所述超声波接受模块再连接到单片机。

Description

一种环境探测机器人超声波测距系统

技术领域

本发明属于一种应用在煤矿矿井探测领域用来检测煤矿事故，具体地是涉及一种环境探测机器人超声波测距系统。

背景技术

我国是一个煤炭生产大国，煤矿事故发生频繁，灾害矿井环境探测机器人可以代替救护人员进入危险区域完成现场环境的探测，对灾后的救援工作具有十分重要的意义。环境探测机器人要实现在未知和不确定环境下的运行，很重要的一点是要求机器人具有检测障碍物的功能，并根据机器人与障碍物之间的距离来执行加速、减速、自动转向、躲避障碍物等特定指令，这就涉及到障碍物距离的测量，这是实现机器人自动导航的前提，具有重要意义。

目前视觉、激光、红外线、超声波等测距方法在机器人系统中已得到了广泛的应用。激光及视觉传感器造价贵，对控制器的要求比较高；红外线传感器易受外界环境的干扰，并且其有效测量距离较短，一般在几厘米至几十厘米之间；超声波测距作为一种非接触的检测方法和激光、视觉、红外测距相比，在短距离范围内具有不受外界光线干扰、传感器结构简单、成本低等优点。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提出一种环境探测机器人超声波测距系统。本发明具有采集信息速率快，距离分辨率高，体积小、质量轻、易于装卸等优点；能够使机器人可以全面地检测周围障碍物的距离信息。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明一种环境探测机器人超声波测距系统，包括超声波发送模块和超声波接受模块、单片机、障碍物；其结构特点是：所述超声波发送模块包括超声波振荡器、驱动模块、超声波换能器；所述超声波接受模块包括超声波换能器、接受放大模块、整形模块、触发器；所述超声波发送模块发送信号到障碍物，再由超声波接受模块接受信号，所述超声波接受模块再连接到单片机。

另外，由于本发明需要多个超声波传感器来构成避障，因此采用传感器阵列，这样减小单片机负担；采用555定时器构成多谐振荡器来产生40KHZ的超声波；本发明所述单片机的I/O接口数量有限，而系统需要对多路模拟量进行采集，因此需要用多路模拟开关来轮流切换信号的输入。目前广泛使用的多路模拟开关都是集成多路模拟开关，本发明采用CD4051进行设计，所述CD4051为单端8通道多路模拟开关。

作为本发明的一种优选方案，所述超声波发送模块的超声波振荡器连接驱动模块，驱动模块再连接超声波换能器；所述超声波接受模块的声波换能器连接接受放大模块，接受放大模块连接整形模块，整形模块连接触发器。

作为本发明的另一种优选方案，所述超声波接受模块的声波换能器采用超声波接受探头，所述接受放大模块采用两级信号放大电路，所述整形模块采用整流和滤波电路，所述触发器采用比较电路。

进一步地，本发明所述整流电路采用一个运算放大器和一个二极管构成。

本发明的有益效果是。

本发明设计了灾害矿井环境探测机器人超声波测距系统，该测距系统采用单片机作为控制器，采用多个超声波传感器，通过多路模拟开关与单片机相连，从而使机器人可以全面地检测周围障碍物的距离信息。

首先，设计了超声波测距系统的硬件电路，包括超声波发送模块和超声波接受模块两部分，采用多个超声波传感器来构成避障传感器阵列，借助多路模拟开关连接到单片机；其次，采用渡越时间法进行测距；使得超声波传感器在移动机器人应用中具有很大的优势。

附图说明

图1是本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的硬件框图。

图2是本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的超声波发送电路图。

图3是本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的超声波接收模块电路图。

图4是本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的CD4051与单片机和超声波发送电路的连接电路图。

图5是本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的CD4051与单片机和超声波接收电路的连接电路图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的硬件框图。包括超声波发送模块和超声波接受模块、单片机、障碍物；其结构特点是：所述超声波发送模块包括超声波振荡器、驱动模块、超声波换能器；所述超声波接受模块包括超声波换能器、接受放大模块、整形模块、触发器；所述超声波发送模块发送信号到障碍物，再由超声波接受模块接受信号，所述超声波接受模块再连接到单片机。

如图2所示，为本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的超声波发送电路图。其中，超声波发送电路采用555定时器构成多谐振荡器来产生40KHZ的超声波。

超声波测距的方法有多，如渡越时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法等。相位检测法测距精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响；本发明采用渡越时间检测法测距，其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后的超声波由超声波接收器接收，其在空气中传播的时间即为往返时间，往返时间与超声波传播的距离有关，测试传输时间就可以得出距离。渡越时间的测量有很多种方法，如脉冲回波法、调频法、相位法、频差法等，目前应用最普遍的是脉冲回波法。

如图3所示，为本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的超声波接收模块电路图。其中，所述超声波接收模块电路包括两级信号放大电路、整流电路、滤波电路、比较电路；所述两级信号放大电路、整流电路、滤波电路、比较电路顺次连接。两级信号放大电路结构相同，共将信号放大100倍，整流电路采用一个运算放大器和一个二极管构成半波整流电路，接在整流电路后面的低通滤波电路仅让40KHZ频率的信号通过，对于比较电路，根据接收信号的大小来调整RP，来改变输出信号的大小。该接收电路的设计完全满足了输入信号对电路的要求，在超声波测距工作中可以较好的接收回波信号。

如图4和5所示，为本发明一种环境探测机器人超声波测距系统的CD4051与单片机和超声波发送（接收）电路的连接电路图；其中，本发明所述CD4051为单端8通道多路模拟开关，采用CD4051作为多路模拟开关控制超声波传感器组路数的选通，将两个CD4051与单片机和超声波传感器相连，两CD4051的A、B连接在一起，由单片机发出控制信号，控制传感器组路数的选通。在多路开关与单片机之间加有一个由运算放大器构成的电压跟随器起到隔离、提高输入阻抗作用。

Claims

1.一种环境探测机器人超声波测距系统，包括超声波发送模块和超声波接受模块、单片机、障碍物；其特征在于：所述超声波发送模块包括超声波振荡器、驱动模块、超声波换能器；所述超声波接受模块包括超声波换能器、接受放大模块、整形模块、触发器；所述超声波发送模块发送信号到障碍物，再由超声波接受模块接受信号，所述超声波接受模块再连接到单片机。

2.根据权利要求1所述的一种环境探测机器人超声波测距系统，其特征在于：所述超声波发送模块的超声波振荡器连接驱动模块，驱动模块再连接超声波换能器；所述超声波接受模块的声波换能器连接接受放大模块，接受放大模块连接整形模块，整形模块连接触发器。

3.根据权利要求1所述的一种环境探测机器人超声波测距系统，其特征在于：所述超声波接受模块的声波换能器采用超声波接受探头，所述接受放大模块采用两级信号放大电路，所述整形模块采用整流和滤波电路，所述触发器采用比较电路。

4.根据权利要求3所述的一种环境探测机器人超声波测距系统，其特征在于：所述整流电路采用一个运算放大器和一个二极管构成。