CN113900106A - 一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，包括单片机模块、超声波发送模块、超声波接收模块、第一数据采集模块、数据处理模块、LabVIEW上位机、舵机模块和第一电源模块。本发明实现了有效识别障碍物的位置，完成避障的功能，采用硬件单片机和虚拟仪器LabVIEW，通过超声波测距的方法。完成LabVIEW对信息进行采集和处理，下位机采用单片机，通过控制超声波传感器和舵机进行360度全方位的扫描式超声波的发送和接收，上位机对接收的数据进行处理和显示，相比于传统的测距系统提高测量精度和测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及超声波测距技术领域，具体为一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统。
背景技术
国外对于避障系统的研究比较早，在这领域较早开始研究的国家主要有德国、美国和日本等经济发达的国家。在这个领域中VOLVO、福特丰田、奥迪等汽车公司已经开发出具有一定功能的汽车避障系统。福特公司开发的汽车主动避障控制系统可以通过传感器检测周围的环境信息，然后根据决策算法控制汽车进行制动或者转向进行避障。该系统实时地检测道路中可能与自车发生碰撞危险的障碍物，如果这个过程中人并没有进行操作或者进行了误操作，该系统能够通过自动刹车或者转向进行避障。该系统的环境感知层采用了摄像头、雷达和超声波传感器等多种传感器没备，可以有效地实现路碍物的规避。
国内的一些学者也作了相关研究。哈尔滨工业科技研究所和河北科技大学曾研制出了一种新颖的基于多处理器的分布式实时测距避障系统。每个微处理器单独控制一个传感器，上部控制模块拥有不同的控制方法，使传感器组合为并行工作方式，并采用了先进的数据对比，转变阈值，平均滤波和模糊信息处理技术。该系统被用于该所自制的RIRA-II移动机器人项目上，就取得了良好的应用效果。
LabVIEW是美国NI(National Instruments)公司开发的一种图形化的编程语言，基于LabVIEW的超声测距系统研究语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。本课题采用LabVIEW软件来进行上位机程序编写简化了软件设计，使得显示界面更加直观。同时使用单片机对回波信号进行采集，简化了硬件电路的设计，并且本系统可以很方便地扩展多通道测量，从而升级为室内短距离精确测距和汽车的测距避障的研究奠定良好的基础。
近年来，汽车无人驾驶所涉及到的避障系统已受到越来越多的关注。室内短距离精确测距和汽车的测距避障也成为一个热点。通过该课题的研究，可以对于测量精度要求较高的场合，如室内短距离的精确测距或者是汽车的测距避障，油库水箱的液面的精确测量都可以加以实现，对于汽车的智能化、无人化都有实质的意义。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题，本发明的目的是利用单片机控制超声波传感器对附近障碍物进行扫描式测距，由LabVIEW完成对数据的采集和处理，再将所得结果传输到由LabVIEW构建的上位机上实现对障碍物避障功能。采用硬件单片机和虚拟仪器LabVIEW，通过超声波测距的方法。完成LabVIEW对信息进行采集和处理，下位机采用单片机，通过控制超声波传感器和舵机进行360度全方位的扫描式超声波的发送和接收，上位机对接收的数据进行处理和显示，完成测距避障的功能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，包括单片机模块、超声波发送模块、超声波接收模块、第一数据采集模块、数据处理模块、LabVIEW上位机、舵机模块和第一电源模块，所述单片机模块分别与超声波发送模块、超声波接收模块、第一数据采集模块、舵机模块、第一电源模块连接，所述数据处理模块与第一数据采集模块连接，所述LabVIEW上位机与数据处理模块连接。
优选的，所述超声波发送模块由超声波产生电路、超声波发送驱动电路和超声波发送探头三个部分组成。
优选的，所述超声波产生电路包括信号发生部分、功率放大部分、换能器部分。
优选的，所述超声波发送模块通过超声波传感器信号发生电路产生可变频的信号，然后通过功率放大电路对产生的微弱信号进行放大和优化处理，最后在经过换能器的处理，使产生的信号能量最大化；将得到的信号经过超声波发送驱动电路产生超声波，并利用超声波发送探头此超声波信号发送出去，从而完成信号的发送。
优选的，所述超声波接收模块由超声波接收探头、信号放大电路和波形变化电路三个部分组成。
优选的，所述超声波接收模块通过超声波接收探头对超声波发送探头发出的超声波进行接收和识别，然后经过信号放大电路对接收到超声波进行放大，最后通过波形变化电路将得到的不可被处理器处理的波形信号还原成可处理的信号，将数据传送到LabVIEW进行数据处理。
优选的，所述第一数据采集模块是模拟信号经过滤波电路后，经由多路模拟通道放大器等信号调理，后进入A/D转换器进行模数转换，转换后的结果传送至LabVIEW上位机等待处理。
优选的，所述数据处理模块主要包括第二数据采集模块、信号放大模块、降噪模块、测温电路和第二电源模块，所述数据处理模块通过LabVIEW将信息综合处理，再把所得结果传输到LabVIEW上位机。
优选的，所述第二数据采集模块主要接收由传感器输出的模拟信号并转换成的数字信号，实现信号的采集；所述信号放大模块将采集到的数字信号进行倍数放大；所述降噪模块采用滤波电路将无关信号进行过滤，保留有效成分；所述测温电路，对温度进行实时检测，进行温度补偿精确测量距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明为一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，通过以单片机作为一个主要的控制模块，单片机控制模块具有优秀的数据处理能力和较好的功耗控制；
(2)本发明为一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，通过设置 LabVIEW上位机，利用LabVIEW参与构建上位机来能显示障碍物的位置，使得显示界面更加直观；
(3)本发明为一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，通过对设备周围进行360度障碍物测距，确定障碍物的位置，单片机模块将信息传输至 LabVIEW模块进行分析处理，测距范围广，有利于人们使用；
(4)本发明为一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，通过设置数据处理模块，融合多路信息整理并汇总，通过LabVIEW和单片机将信息综合处理，再把所得结果传输到LabVIEW上位机，利用LabVIEW对采集的数据进行处理分析能力，提高了数据的精确性。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的超声波接收模块的结构框图；
图3是本发明的第一数据采集模块的结构框图；
图4是本发明的数据处理模块的结构框图；
图5是本发明的系统软件总体设计流程图。
附图标记中：1、单片机模块；2、超声波发送模块；3、超声波接收模块；4、第一数据采集模块；5、数据处理模块；6、LabVIEW上位机；7、舵机模块；8、第一电源模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-图5所示，本发明提供一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统的技术方案：本发明提供如下技术方案：一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，包括单片机模块1、超声波发送模块2、超声波接收模块3、第一数据采集模块4、数据处理模块5、LabVIEW上位机6、舵机模块7和第一电源模块8，所述单片机模块1分别与超声波发送模块2、超声波接收模块3、第一数据采集模块4、舵机模块7、第一电源模块8连接，所述数据处理模块 5与第一数据采集模块4连接，所述LabVIEW上位机6与数据处理模块5连接，具体的，单片机模块1是本系统主要控制模块，该模块中主要利用单片机实现三个重要功能：一单片机控制超声波传感器对信号的发送和接收；二是利用单片机去控制舵机运动，从而实现了超声波传感器的扫描式测距；三是单片机是超声波传感器和LabVIEW上位机6的传输纽带，进行数据的传输。
其中，所述超声波发送模块2由超声波产生电路、超声波发送驱动电路和超声波发送探头三个部分组成。
其中，所述超声波产生电路包括信号发生部分、功率放大部分、换能器部分。
其中，所述超声波发送模块2通过超声波传感器信号发生电路产生可变频的信号，然后通过功率放大电路对产生的微弱信号进行放大和优化处理，最后在经过换能器的处理，使产生的信号能量最大化；将得到的信号经过超声波发送驱动电路产生超声波，并利用超声波发送探头此超声波信号发送出去，从而完成信号的发送。
如图2所示，其中，所述超声波接收模块3由超声波接收探头、信号放大电路和波形变化电路三个部分组成。
如图2所示，所述超声波接收模块3通过超声波接收探头对超声波发送探头发出的超声波进行接收和识别，然后经过信号放大电路对接收到超声波进行放大，最后通过波形变化电路将得到的不可被处理器处理的波形信号还原成可处理的信号，将数据传送到LabVIEW进行数据处理。
其中，所述第一数据采集模块4是模拟信号经过滤波电路后，经由多路模拟通道放大器等信号调理，后进入A/D转换器进行模数转换，转换后的结果传送至LabVIEW上位机等待处理。
具体的，如图3所示，多路转换：多路转换的主要作用是提高模数转换的效率，当多路信号同时输入时，模数转换器分时复用，从而实现对多路模拟信号的处理；
模拟/数字转换：模拟/数字转换器简称ADC，是数据采集模块的核心电路，采集速度，转换精度等关键技术指标取决于此；
缓存电路：对在信号采集并进行转换过程中，为了保证输入信号在采样时刻暂时稳定，在电路中加入缓存电路；
信号放大模块：所谓放大，就是用信号放大电路将输入的微弱信号(简称信号，指变化的电压、电流等)放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大；
降噪模块：信号降噪包括信号的滤波，信号变换等，使得输入模拟信号适用于模数变换，一般有几个部分：
低通滤波：滤去高频噪声，提高信噪比；
信号变换：阻抗变换，电流-电压变换等；
测温电路：系统中用到的传感器，信号放大器等器件，都将受到温度的影响产生误差，此外，超声波的传播速度也将受到温度及气体分子的影响，采用测温电路，对温度进行实时监测，同时用LabVIEW进行实时显示，避免温度带来的误差。
如图4所示，其中，所述数据处理模块5主要包括第二数据采集模块、信号放大模块、降噪模块、测温电路和第二电源模块，所述数据处理模块5 通过LabVIEW将信息综合处理，再把所得结果传输到LabVIEW上位机6。
如图4所示，其中，所述第二数据采集模块主要接收由传感器输出的模拟信号并转换成的数字信号，实现信号的采集；所述信号放大模块将采集到的数字信号进行倍数放大，便于信号的采集；所述降噪模块采用滤波电路将无关信号进行过滤，保留有效成分，提高测距精度；所述测温电路，对温度进行实时检测，进行温度补偿精确测量距离。
具体的，LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理，LabVIEW就是一种代表型的虚拟仪器，因此应用LabVIEW可以在PC端上构建一个虚拟的仪器控制和显示面板，也就是上位机。
本系统的上位机就是由LabVIEW来进行构建，主要完成三个功能，一是对下位机单片机发送数据采集命令。二是接收单片机采集的各种信号数据并进行分析处理，数据的接收是通过串口转USB与PC相连，数据通过串口传输，串口名称即对应的串口号。当插上USB后，LabVIEW会自动的识别可用的串口号，从而完成数据传输，根据采集回来的温度数据和距离数据，经计算分析修正障碍物的位置和角度。三是在PC上运用LabVIEW来搭建一个界面上用来显示实测的温度值、距离值和角度，使得显示界面更加直观，实现了关于上位机的构建。
具体的，舵机模块7是实现系统扫描式测距的功能，利用舵机旋转从而去带动超声波传感器去实现扫描控制特点，舵机每次最大旋转为90度方位角，经过四次旋转才能实现360度全方位扫描，系本系统的工作周期为舵机转动4 次。舵机工作时在信号端输入一个50HZ的方波信号，控制舵机的周期为20ms，当高电平的脉宽控制在在2.5ms时舵机就可以对应旋转到90度角度，4个高电平组成一个周期，便可以实现周期性全方位360度的扫描，舵机的功耗特别小、稳定性非常高，只需要连接到单片机便可以工作，无需提供额外的电源。通过单片机能够去调节舵机旋转的角度和速度，使得扫描过程能够快速准确完成。
软件设计部分分为LabVIEW的程序设计和单片机程序设计两个部分，系统在接受到开始指令后，由LabVIEW程序向串口发送指令串同时开始计时，单片机在接收到上位机发送的指令串以后执行超声波发送子程序，当有回波信号通过数据采集卡传回上位机时，LabVIEW程序停止计时，并对温度、距离进行计算。对回波信号进行分析。最后显示结果。若没有回波信号则查询是否有停止指令，有则显示无结果，没有则重新计时并向串口发送指令。总的程序流程图如5所示。
具体的，本发明的工作原理及使用流程：在LabVIEW上位机6上选择开始测量，LabVIEW上位机6就会给单片机发出工作信号，单片机会控制单片机和舵机工作，单片机和舵机按照一定周期配合工作，完成扫描式测距，将得到的障碍物信息传输给LabVIEW上位机6，由LabVIEW上位机6进行数据的分析处理，最后得到结果并在LabVIEW上位机6上显示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于，包括单片机模块(1)、超声波发送模块(2)、超声波接收模块(3)、第一数据采集模块(4)、数据处理模块(5)、LabVIEW上位机(6)、舵机模块(7)和第一电源模块(8)，所述单片机模块(1)分别与超声波发送模块(2)、超声波接收模块(3)、第一数据采集模块(4)、舵机模块(7)、第一电源模块(8)连接，所述数据处理模块(5)与第一数据采集模块(4)连接，所述LabVIEW上位机(6)与数据处理模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述超声波发送模块(2)由超声波产生电路、超声波发送驱动电路和超声波发送探头三个部分组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述超声波产生电路包括信号发生部分、功率放大部分、换能器部分。
4.根据权利要求3所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述超声波发送模块(2)通过超声波传感器信号发生电路产生可变频的信号，然后通过功率放大电路对产生的微弱信号进行放大和优化处理，最后在经过换能器的处理，使产生的信号能量最大化；将得到的信号经过超声波发送驱动电路产生超声波，并利用超声波发送探头此超声波信号发送出去，从而完成信号的发送。
5.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述超声波接收模块(3)由超声波接收探头、信号放大电路和波形变化电路三个部分组成。
6.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述超声波接收模块(3)通过超声波接收探头对超声波发送探头发出的超声波进行接收和识别，然后经过信号放大电路对接收到超声波进行放大，最后通过波形变化电路将得到的不可被处理器处理的波形信号还原成可处理的信号，将数据传送到LabVIEW进行数据处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述第一数据采集模块(4)是模拟信号经过滤波电路后，经由多路模拟通道放大器等信号调理，后进入A/D转换器进行模数转换，转换后的结果传送至LabVIEW上位机等待处理。
8.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述数据处理模块(5)主要包括第二数据采集模块、信号放大模块、降噪模块、测温电路和第二电源模块，所述数据处理模块(5)通过LabVIEW将信息综合处理，再把所得结果传输到LabVIEW上位机(6)。
9.根据权利要求6所述的一种基于LabVIEW的扫描式测距避障系统，其特征在于：所述第二数据采集模块主要接收由传感器输出的模拟信号并转换成的数字信号，实现信号的采集；所述信号放大模块将采集到的数字信号进行倍数放大；所述降噪模块采用滤波电路将无关信号进行过滤，保留有效成分；所述测温电路，对温度进行实时检测，进行温度补偿精确测量距离。
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