CN109387842A - 超声波测距避障系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声波测距领域，具体涉及超声波测距避障系统，包括控制处理单元、串口电路和电源管理模块，还包括多通道超声波收发电路、CAN收发电路，其中所述控制处理单元分别连接有超声波收发电路、串口电路、电源管理模块以及CAN收发电路，所述电源管理模块用于超声波收发电路、CAN收发电路和控制处理单元的供电，所述控制处理单元用于与主控系统通信并控制各模块的运作控制，所述超声波收发电路用于检测障碍物并测度距离；所采用隔离变压器驱动超声波发射电路配合自适应发射脉冲控制算法，使得该超声波测距避障系统的探测距离增大，实现了超高电压驱动换能器，发射超声波的功率足够大，从而实现了比传统驱动方式更高的探测灵敏度。

Description

超声波测距避障系统

技术领域

本发明属于超声波测距领域，具体涉及一种超声波测距避障系统。

背景技术

随着传感器技术的发展，在测距传感器领域，比较常用的技术方案由如下三种，分别为：红外测距、激光测距和超声波测距。红外测距传感器具有低成本、电路结构简单的优势，但其探测距离较近、精度也较低；激光测距传感器是上述三种传感器中探测距离和精度最高的、但其使用成本过高；超声波测距传感器的效果介于红外和激光两种测距方案之间，其具有探测距离适中和较高的探测精度，且对环境的适应性较高，尤其对于透明物体(如玻璃等)能进行有效探测，而探测透明物体是光学传感器所不具备的。超声波是比较适合于复杂应用场景的一种技术方案。

现有的超声波测距方案的结构框图如图1所示。现有方案的回波处理电路采用先放大再滤波处理的方式，由于测量距离的不同，造成回波信号的波动变化，也使得信号存在较大的误差。如图2所示；由此带来的问题是在放大回波信号的同时也放大了其他的噪声信号，从而加大了滤波处理电路的难度，使得后续电路更加复杂，使得响应速率降低。因此带来了探测盲区大(常见的最小盲区为20cm～30cm)和灵敏度较低的缺点；同时现有的超声波测距多作为单一模块出现，仅保留串口作为调试使用，无法在较长有线通信传输距离的场景使用，不利于与其他系统整合。

发明内容

为克服以上现有技术的不足，本发明公开了一种超声波测距避障系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：提供一种超声波测距避障系统，包括控制处理单元、串口电路和电源管理模块，还包括多通道超声波收发电路、CAN收发电路，所述控制处理单元分别连接有超声波收发电路、串口电路、电源管理模块以及CAN收发电路，所述超声波收发电路用于检测障碍物并测度距离；所述电源管理模块用于超声波收发电路、CAN收发电路和控制处理单元的供电，所述控制处理单元用于系统各模块的运作控制。

作为该系统的进一步改进，所述超声波收发电路由至少三个独立的超声波发射和接收电路组成，每个独立电路设置于系统的不同方位。

发明人提出，由于大部分自主移动设备体积较大和超声波探头探测范围的限制，现有的超声波测距方案由于盲区较大，不能有效的检测进行多角度避障，而本发明采用6个均匀分布的独立探头实现对系统的前方、左侧及右侧三个方向的障碍物检测。

进一步的，所述超声波收发电路中每个独立电路包括收发一体超声波探头、收发驱动电路及回波信号处理电路；其中，控制处理单元、收发驱动电路、收发一体超声波探头以及回波信号处理电路闭环连接。

本发明相对于现有技术方案的优势在于超声波收发电路有效隔离驱动部分、回波信号处理电路部分和CAN收发器部分，使得各部分不会产生信号干扰，造成额外噪音；电路采用能量泄放电阻，用于释放超声波信号发射后线圈中的剩余能量，采用箝位二极管，使得回波信号的幅度限制在正负0.7V之间，以防止幅度过高对后续信号处理电路造成损坏；采用10:1隔离升压变压器，驱动信号经过变压器将右侧的驱动信号幅度增大到原来的10倍，从而有效增大超声波信号的发射强度；有效优化电路，充分提高效率，使得电路有效提高探测灵敏度和最小探测盲区。

进一步的，所述收发驱动电路用于超声波信号发射和回波信号的接收，其中超声波发射具有设定幅度和频率的脉冲信号检测障碍物。

发明人指出，由于脉冲个数与超声波发射时的能量大小成正比，脉冲个数越多，变压器线圈中所积蓄的能量越多，超声波在空气中传播的距离也更远，但会引起探头余振的时间增加，间接增大了超声波测距系统的探测盲区。根据实际应用场景控制发射脉冲个数，以此最大程度提高探测距离和减少探测盲区。

作为一种更优选方案，回波信号处理电路包括初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路和电平转换电路，其中，回波信号先经初级放大电路放大后由滤波电路进行滤波，其后再经次级放大电路进行二次放大，最后经检波整形电路得到方波信号，经过电平转换电路转换成开关信号。

作为上述方案的进一步改进，回波信号处理电路信号输入端连接到第一电阻一端，第一电阻另一端与第一电容一端相连接，第一电容的另一端与第一运放的反相输入端相连接；第一运放的同相输入端连接到第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第三电阻的一端，第三电阻的另一端与第一运放的输出端相连接；第一运放的同相输入端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；第一运放的输出端与第四电阻一端相连接，第四电阻的另一端连接到第三电容的一端，第三电容的另一端连接到第二运放的反相输入端；第二运放的同相输入端与第五电阻的一端相连接，第五电阻的另一端连接到第六电阻和第四电容并联后的一端，第六电阻和第四电容并联后的另一端与第二运放的输出端相连接；第二运放的同相输入端与第二电容的一端相连接，第二电容的另一端接地；第二运放的输出端与第七电阻的一端相连接，第七电阻的另一端与第五电容的一端相连接，第五电容的另一端与第三运放的反相输入端相连接；第三运放的反相输入端与第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端连接到第三运放的输出端；第三运放的同相输入端一方面与第十五电阻的一端相连接，第十五电阻的另一端接电源，另一方面与第十六电阻的一端相连接，第十六电阻的另一端接地；第三运放的输出端与第六电容的一端相连接，第六电容的另一端连接到检波二极管的一端，检波二极管的另一端连接到第四运放的同相输入端；第四运放的同相输入端与第九电阻和第七电容并联后的一端相连接，第九电阻和第七电容并联后的另一端连接到第四运放的反相输入端；第四运放的反相输入端一方面经第十电阻接电源，另一方面经第十一电阻接地；第四运放的输出端与稳压二极管的一端相连接，稳压二极管的另一端连接到三极管的基极；三极管的基极与第十二电阻和第八电容并联后的一端相连接，第十二电阻和第八电容并联后的另一端接地；三极管的发射极接地；三极管的集电极与第十三电阻的一端相连接，第十三电阻的另一端接电源；三极管与第十四电阻的一端相连接，第十四电阻的另一端连接到信号输出端。

进一步的，所述第一电容将收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号过滤，使得前级放大电路对回波信号中的交流信号进行放大。

进一步的，所述检波整形电路通过由第九电阻和第七电容构成低通滤波器处理后形成圆滑的包络信号，再经整形处理为方波信号。

发明人指出，现有方案的回波处理电路采用先放大再滤波处理的方式，由此带来的问题是在放大回波信号的同时也放大了其他的噪声信号，从而加大了滤波处理电路的难度，使得后续电路更加复杂、响应速率降低。本申请方案的前级放大电路滤波电容将收发一体探头接收到的回波信号中的低频直流信号滤掉，使得前级放大电路仅对回波信号中的交流信号放大，后经无限增益多路反馈带通滤波器进行有效滤波；次级放大电路对滤波后的信号进行二次放大以满足后续处理的要求；经过两级处理后放大电路的总增益达到30dB；40kHz高频信号经过检波电路后形成圆滑的包络信号；由于包络信号不便于处理器处理，需要将检波后的包络信号进行整形；由于超声波探头接收到回波信号的强度受自身到障碍物间的距离和环境因素影响，使得经过处理整形后的信号幅度具有不确定性，为了便于处理器进行处理，需要进行检波整形后的信号幅度经过电平转换电路转换成幅度为3.3V的开关信号，经上述处理后，本系统所得到的信号有效反映检测距离，使得检测灵敏度有效提升。

上述回波信号处理电路仅为本发明的超声波测距避障系统中的单个通道电路，整个系统由6个相同的通道组成，可完成对多个方向的同时探测。

进一步的，所述CAN收发电路一端连接有控制处理单元，另一端连接有主控制器，用于实现控制处理单元和主控制器间的。

为了提高超声波测距避障系统的通用性和利于后续系统的整合，该超声波测距避障系统采用CAN通信实现与其他系统单元的互联。由于CAN总线具有实时性好、传输距离远、便于节点扩充、抗干扰能力强、低成本的有点，超声波测距避障系统可以根据需要进行扩展和与其他系统进行整合，从而具备极高的通用性。

本发明具有以下有益效果：本发明能实现多方位检测及避障，提高检测灵敏度和精确度；超声波收发电路所采用隔离变压器驱动超声波发射电路配合自适应发射脉冲控制，有效隔离各部分间的干扰，减少探头余振，最大程度提高探测距离和降低探测盲区，使得该超声波测距避障系统的最大探测距离为5m，盲区为10cm；采用隔离升压变压器实现了超高电压驱动换能器，有效增大超声波信号的发射强度；有效优化电路，充分提高效率，使得电路有效提高探测灵敏度和最小探测盲区，其最大驱动电压可达160V，使得发射超声波的功率足够大，从而实现了比传统驱动方式更高的探测灵敏度；回波处理电路设计使得后续电路处理简单易行，响应速率有效提升；其余模块采用232串口和CAN通信以实现超声波通道数量的自由配置和与其他系统单元的互联，也可多个超声波测距避障系统互联，最多可实现多达110个独立系统单元的互联，从而可根据实际需要进行超声波系统的扩展和与其他系统的整合，具有极高的通用性和实用性。

附图说明

图1为现有的超声波测距方案的结构框图；

图2为现有的超声波测距方案的回波处理电路；

图3为本发明超声波测距避障系统框图；

图4为本发明超声波测距避障系统测距系统框图；

图5为本发明超声波测距避障系统回波处理电路结构框图；

图6为本发明超声波测距避障系统回波信号处理电路图；

图7为本发明超声波测距避障系统通信连接结构框图。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供一种超声波测距避障系统，包括控制处理单元2、串口电路4和电源管理模块6，还包括多通道超声波收发电路1、CAN收发电路3，其中所述控制处理单元2分别连接有超声波收发电路1、串口电路4、电源管理模块6以及CAN收发电路3，所述电源管理模块6用于超声波收发电路1、CAN收发电路3和控制处理单元2的供电，所述控制处理单元2用于与主控制器5通信并控制各模块的运作控制，所述超声波收发电路1用于检测障碍物并测量距离，超声波收发电路1由至少三个独立的超声波发射和接收电路组成，每个独立电路设置于系统的不同方位。考虑到部分自主移动设备自身的体积较大和超声波探头探测范围的限制，本发明采用6个均匀布置的探头实现对设备的前方和左右三个方向的障碍物检测；6通道超声波收发电路1由6个独立的超声波发射和接收电路组成，CAN收发器3采用TJA1051，所述电源管理模块6用于超声波收发电路、CAN收发电路3和控制处理单元2的供电，其包含12V、5V、3.3V三种电压的电源，系统的输入电压范围为15～36V，所述控制处理单元2采用STM32F103C8T6，用于与主控制器5通信并控制各模块的运作控制，

超声波测距避障系统的示意图如图4所示，图中11为收发一体超声波探头、12为收发驱动电路、13为回波信号处理电路、2为控制处理单元、3为CAN收发器、5为主控制器、7为障碍物。本发明采用6组独立的超声波收发电路，6组收发电路都通过控制处理单元2进行发射和信号运算处理的控制。相对于现有技术方案的优势在于隔离驱动部分、回波信号处理电路部分和CAN收发器部分。收发驱动电路12用于超声波信号发射和回波信号的接收，电路采用能量泄放电阻，用于释放超声波信号发射后线圈中的剩余能量；还包括箝位二极管，其将回波信号的幅度限制在正负0.7V之间，以防止幅度过高对后续信号处理电路造成损坏；另外隔离升压变压器，驱动信号经过变压器将右侧的驱动信号幅度增大到原来的10倍，从而增大超声波信号的发射强度。

作为上述方案的优化，超声波发射的驱动信号采用幅度为3.3V，频率为40kHz的脉冲信号驱动，发射4～8个脉冲，具体脉冲个数根据实际使用场景确定。由于脉冲个数与超声波发射时的能量大小成正比，脉冲个数越多，变压器线圈中所积蓄的能量越多，超声波在空气中传播的距离也更远，但会引起探头余振时间的增加，间接增大了超声波测距系统的探测盲区，采用该方案最大程度提高探测距离和将探测盲区降到最小。

回波信号处理电路框图如图5所示，其由初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路和电平转换电路五部分组成。具体电路示意图如图6所示，收发一体超声波探头连接到第一电阻1一端，第一电阻21另一端与第一电容22一端相连接，第一电容22的另一端与第一运放24的反相输入端相连接；第一运放24的同相输入端连接到第二电阻23的一端，第二电阻23的另一端连接到第三电阻27的一端，第三电阻27的另一端与第一运放24的输出端相连接；第一运放24的同相输入端与第二电容54的一端连接，第二电容54的另一端接地；第一运放24的输出端与第四电阻26一端相连接，第四电阻26的另一端连接到第三电容28的一端，第三电容28的另一端连接到第二运放29的反相输入端；第二运放29的同相输入端与第五电阻27的一端相连接，第五电阻27的另一端连接到第六电阻30和第四电容31并联后的一端，第六电阻30和第四电容31并联后的另一端与第二运放29的输出端相连接；第二运放29的同相输入端与第二电容54的一端相连接，第二电容54的另一端接地；第二运放29的输出端与第七电阻32的一端相连接，第七电阻32的另一端与第五电容33的一端相连接，第五电容33的另一端与第三运放34的反相输入端相连接；第三运放34的反相输入端与第八电阻35的一端相连接，第八电阻35的另一端连接到第三运放34的输出端；第三运放34的同相输入端一方面与第十五电阻52的一端相连接，第十五电阻52的另一端接电源，另一方面与第十六电阻53的一端相连接，第十六电阻53的另一端接地；第三运放34的输出端与第六电容36的一端相连接，第六电容36的另一端连接到检波二极管37的一端，检波二极管37的另一端连接到第四运放50的同相输入端；第四运放50的同相输入端与第九电阻38和第七电容39并联后的一端相连接，第九电阻38和第七电容39并联后的另一端连接到第四运放50的反相输入端；第四运放50的反相输入端一方面经第十电阻43接电源，另一方面经第十一电阻42接地；第四运放20的输出端与稳压二极管44的一端相连接，稳压二极管44的另一端连接到三极管47的基极；三极管47的基极与第十二电阻46和第八电容45并联后的一端相连接，第十二电阻46和第八电容45并联后的另一端接地；三极管47的发射极接地；三极管47的集电极与第十三电阻48的一端相连接，第十三电阻48的另一端接电源；三极管47与第十四电阻49的一端相连接，第十四电阻49的另一端连接到信号输出端。其中运放24、29、34、50为单电源运放，均采用12V电源供电；电源41、51为12V电源；电阻52、53为偏置分压电阻，为图中运放24、29、34提供正向偏置电压，54为去耦电容。21～25构成前级放大电路，21为输入电阻，22为隔直电容，23为输入信号上拉电阻，24为单电源运放，25为反馈电阻；前级放大的增益通过电阻21和电阻25确定，前级增益为8dB；滤波电容22将收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号滤掉，使得前级放大电路仅对回波信号中的交流信号放大。26～31构成无限增益多路反馈带通滤波器，其中心频率和通带带宽通过电阻26、27、30和电容28、31确定；设计的中心频率为40.1kHz，通带增益为7dB，带宽为36.918kHz～43.283kHz；32～35构成次级放大电路，对滤波后的信号进行二次放大以满足后续处理的要求；电路结构与初级放大电路一致，由于进入次级放大部分的信号已经过滤波，因此只需将滤波后的信号放大到符合后续处理要求即可；次级放大电路的增益为15dB；故经过处理后放大电路的总增益为30dB。36～45构成检波整形电路，其中36～39为检波电路，41～45为整形电路；检波电路中36为隔直电容，37为检波二极管，电阻38和电容39构成低通滤波器；40kHz高频信号经过检波电路后形成圆滑的包络信号；由于包络信号不便于处理器处理，需要将检波后的包络信号进行整形处理得到开关信号；整形电路实际为41～45构成的电压比较器，运放50的反相端通过电阻42和电阻43分压得到6V的基准电压，包络信号经过比较器后得到一定脉宽的方波信号；稳压二极管44用于滤除幅度较低的干扰信号。

由于超声波探头接收到回波信号的强度受自身到障碍物间的距离和环境因素影响，使得经过处理整形后的信号幅度具有不确定性，为了便于处理器进行处理，需要进行检波整形后的信号幅度转换成处理器所能使用的范围。图中46～50为电平转换电路，46为基级下拉电阻，47为NPN三极管，48为集电极上拉电阻，49为处理器I/O口限流电阻，50为3.3V电源；经过电平转换电路后，检波整形后的信号转换成幅度为3.3V的开关信号。上述回波信号处理电路仅为本发明的超声波测距避障系统中的单个通道电路，整个系统由6个相同的通道组成，可完成对多个方向的同时探测。

为了提高超声波测距避障系统的通用性和利于后续系统的整合，该超声波测距避障系统采用CAN通信实现与其他系同单元的互联(不局限于机器人系统)。由于CAN总线具有实时性好、传输距离远、便于节点扩充、抗干扰能力强、低成本的优点，超声波测距避障系统可以根据需要进行扩展和与其他系统进行整合，从而具备极高的通用性。本发明的应用场景为自主移动机器人在运动过程中的障碍物检测(但不限于此)；主控制器与超声波测距避障系统的连接示意图如图7所示。

Claims (9)

1.超声波测距避障系统，包括控制处理单元、串口电路和电源管理模块，其特征在于，还包括多通道超声波收发电路、CAN收发电路，所述控制处理单元分别连接有超声波收发电路、串口电路、电源管理模块以及CAN收发电路，所述超声波收发电路用于检测障碍物并测度距离；所述电源管理模块用于超声波收发电路、CAN收发电路和控制处理单元的供电，所述控制处理单元用于系统各模块的运作控制。

2.如权利要求1所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述超声波收发电路由至少三个独立的超声波发射和接收电路组成，每个独立电路设置于系统的不同方位。

3.如权利要求1或2所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述超声波收发电路中每个独立电路包括收发一体超声波探头、收发驱动电路及回波信号处理电路；其中，控制处理单元、收发驱动电路、收发一体超声波探头以及回波信号处理电路闭环连接。

4.如权利要求3所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述收发驱动电路用于超声波信号发射和回波信号的接收，其中超声波发射具有设定幅度和频率的脉冲信号检测障碍物。

5.如权利要求3所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述回波信号处理电路包括初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路和电平转换电路，其中，回波信号先经初级放大电路放大后由滤波电路进行滤波，其后再经次级放大电路进行二次放大，最后经检波整形电路得到方波信号，经过电平转换电路转换成开关信号。

6.如权利要求5所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述回波信号处理电路信号输入端连接到第一电阻一端，第一电阻另一端与第一电容一端相连接，第一电容的另一端与第一运放的反相输入端相连接；第一运放的同相输入端连接到第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第三电阻的一端，第三电阻的另一端与第一运放的输出端相连接；第一运放的同相输入端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；第一运放的输出端与第四电阻一端相连接，第四电阻的另一端连接到第三电容的一端，第三电容的另一端连接到第二运放的反相输入端；第二运放的同相输入端与第五电阻的一端相连接，第五电阻的另一端连接到第六电阻和第四电容并联后的一端，第六电阻和第四电容并联后的另一端与第二运放的输出端相连接；第二运放的同相输入端与第二电容的一端相连接，第二电容的另一端接地；第二运放的输出端与第七电阻的一端相连接，第七电阻的另一端与第五电容的一端相连接，第五电容的另一端与第三运放的反相输入端相连接；第三运放的反相输入端与第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端连接到第三运放的输出端；第三运放的同相输入端一方面与第十五电阻的一端相连接，第十五电阻的另一端接电源，另一方面与第十六电阻的一端相连接，第十六电阻的另一端接地；第三运放的输出端与第六电容的一端相连接，第六电容的另一端连接到检波二极管的一端，检波二极管的另一端连接到第四运放的同相输入端；第四运放的同相输入端与第九电阻和第七电容并联后的一端相连接，第九电阻和第七电容并联后的另一端连接到第四运放的反相输入端；第四运放的反相输入端一方面经第十电阻接电源，另一方面经第十一电阻接地；第四运放的输出端与稳压二极管的一端相连接，稳压二极管的另一端连接到三极管的基极；三极管的基极与第十二电阻和第八电容并联后的一端相连接，第十二电阻和第八电容并联后的另一端接地；三极管的发射极接地；三极管的集电极与第十三电阻的一端相连接，第十三电阻的另一端接电源；三极管与第十四电阻的一端相连接，第十四电阻的另一端连接到信号输出端。

7.如权利要求6所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述第一电容将收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号过滤，使得前级放大电路对回波信号中的交流信号进行放大。

8.如权利要求6所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述检波整形电路通过由第九电阻和第七电容构成低通滤波器处理后形成圆滑的包络信号，再经整形处理为方波信号。

9.如权利要求1所述的超声波测距避障系统，其特征在于，所述CAN收发电路一端连接有控制处理单元，另一端连接有主控制器，用于实现控制处理单元和主控制器间的通信。