?超聲波測距?是一種利用超聲波在介質(zhì)中傳播的特性來測量距離的技術(shù)。其基本原理是通過發(fā)射超聲波信號(hào)，當(dāng)這些信號(hào)遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來，然后被接收器捕獲。通過測量超聲波發(fā)射與接收的時(shí)間差，結(jié)合超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，可以計(jì)算出障礙物與傳感器之間的距離?12。

超聲波測距的工作原理

超聲波測距系統(tǒng)通常包含一個(gè)發(fā)射器和接收器。發(fā)射器產(chǎn)生超聲波信號(hào)，這些信號(hào)在介質(zhì)中傳播到障礙物表面后反射回來，被接收器捕獲。通過測量發(fā)射信號(hào)和接收反射信號(hào)之間的時(shí)間差，可以計(jì)算出距離。公式為：距離 = (超聲波速度 × 時(shí)間差) / 2?23。

超聲波測距的應(yīng)用領(lǐng)域

?工業(yè)自動(dòng)化?：在機(jī)器人導(dǎo)航、智能倉儲(chǔ)管理、流水線測量等場景中廣泛應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率和安全性?2。

?醫(yī)療保健?：用于超聲心動(dòng)圖、超聲檢查等醫(yī)療設(shè)備，提供重要的診斷數(shù)據(jù)?2。

?消費(fèi)電子?：智能手機(jī)、智能手表等產(chǎn)品中用于手勢識(shí)別、距離測量等功能，提升用戶體驗(yàn)?2。

?其他應(yīng)用?：如車輛避障、港口樁基安全監(jiān)測等?13。

超聲波測距的優(yōu)缺點(diǎn)

?優(yōu)點(diǎn)?：測量精度高，可達(dá)亞毫米級(jí)別;非接觸式測量，避免物體表面損壞或污染;多功能性，可用于多種場景和功能?2。

?缺點(diǎn)?：受環(huán)境影響較大，復(fù)雜環(huán)境下測量精度可能受影響;測距范圍有限?2。

超聲波?是一種頻率高于20000赫茲的聲波，屬于機(jī)械縱波，其振動(dòng)頻率超出了人耳的聽覺范圍?12。超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要用于診斷和治療。

超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

?醫(yī)學(xué)診斷?：超聲波通過高頻聲波在人體組織中的反射和吸收特性，形成圖像以觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種方法非侵入性、無痛、無輻射，適合孕婦和兒童使用。超聲波檢查可以用于觀察胎兒的發(fā)育情況、檢查心臟功能、評(píng)估肝臟和其他器官的狀況等?3。

?醫(yī)學(xué)治療?：超聲波療法是一種物理治療方法，通過超聲波作用于人體以達(dá)到治療疾病的目的。常用的頻率為800~1000KHz，治療強(qiáng)度一般小于3W/c㎡。治療方法包括直接治療法和間接治療法，前者是將聲頭直接壓在治療部位，后者是通過水、水袋等介質(zhì)間接作用于治療部位?4。

超聲波在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲波還在其他領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如：

?工業(yè)?：工業(yè)超聲波加濕機(jī)利用超聲波高頻振動(dòng)將水霧化成微小顆粒，迅速擴(kuò)散到空氣中，達(dá)到快速加濕的效果。這種加濕方式具有加濕效率高、能耗低、噪音小、控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對(duì)濕度要求較高的工業(yè)環(huán)境?5。

1 引言

在項(xiàng)目開發(fā)中采用從英國進(jìn)口的SRF05 超聲波傳感器，它的回波反饋與測距方式與通常使用的超聲波傳感器相比較特別，在ARM中實(shí)現(xiàn)也稍有難度， 但該傳感器精度很高可達(dá)到1cm， 因此用該傳感器去掉了用于近距離測距的紅外測距模塊節(jié)約了硬件資源。

該機(jī)器人的最小系統(tǒng)為，觸摸屏模塊，超聲波模塊，攝像頭圖像采集模塊，直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)中測距是最總要的一環(huán)，它直接影響電機(jī)運(yùn)行距離的精度，在有效范圍內(nèi)的圖像采集控制。整個(gè)系統(tǒng)都是在ARM9 與linux 平臺(tái)中完成，每個(gè)模塊都是用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)使得模塊的控制更加方便。

2 SRF05 超聲波測距方法

提供一個(gè)10us 的脈沖觸發(fā)超聲波傳感器，SRF05 會(huì)發(fā)出8 個(gè)周期的頻率為40khz 的超頻脈沖，此時(shí)在echo 也是就回波口上的電平變?yōu)楦?，此時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，等到echo 變?yōu)榈碗娖阶C明有障礙物此時(shí)停止計(jì)時(shí)，高脈沖的寬度有測距的距離成正比，該超聲波的有效測距范圍為1cm~4m， 因此如果沒有障礙物或障礙物大于4m，echo 依然會(huì)變?yōu)榈碗娖酱藭r(shí)定時(shí)器的時(shí)間為30ms， 因此在測距時(shí)定時(shí)器的周期應(yīng)大于30ms 這樣才能有效測距。

原理如圖1 所示。

3 超聲波測距軟件實(shí)現(xiàn)

如圖2 為超聲波測距的流程圖。

3.1 回波檢測的采集方法

超聲波的回波的檢測是個(gè)難點(diǎn)， 因?yàn)樵贏RM中一個(gè)端口設(shè)置中斷只能設(shè)置一種觸發(fā)方式， 如果設(shè)為上升沿觸發(fā)可以打開定時(shí)器定時(shí)但無法捕獲下降沿，也就無法關(guān)閉定時(shí)器，從而不能測距， 因此用軟件的方式實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)置兩個(gè)時(shí)間延遲函數(shù)usdelay()和msdelay()，這樣可以在給出高脈沖10us 后等超聲波觸發(fā)再打開定時(shí)期計(jì)時(shí)，在設(shè)置一個(gè)外部中斷eint1 接到超聲波傳感器的echo 口并設(shè)置為下降沿觸發(fā)，等下降沿來臨關(guān)閉定時(shí)器讀出值既為脈寬的時(shí)間長度，然后根據(jù)障礙物的距離=(ECHO高電平的時(shí)間)* 聲納速度/2 得出距離?？諝庵衯 與溫度關(guān)系：v=331.5√1+T/273 m/s，T 為攝氏溫度。一般情況下超聲波速近似聲速，在室內(nèi)溫度影響下取約343.2m/s.

3.2 超聲波觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)

利用數(shù)字示波器精確設(shè)計(jì)一個(gè)軟件計(jì)時(shí)函數(shù)usdelay ()，具體實(shí)現(xiàn)如下。

則usdelay(1)既為10us，該函數(shù)用于在給出激發(fā)高脈沖后延續(xù)10us 然后關(guān)脈沖。

還要設(shè)計(jì)一個(gè)msdelay()用于控制整個(gè)測距周期的時(shí)間值。

msdelay(1000)在主函數(shù)數(shù)中用于延遲1s，這樣定時(shí)器可以完全有足夠的回波檢測時(shí)間同時(shí)也不會(huì)對(duì)其它三路超聲波信號(hào)造成干擾。

如下所示。

3.3 超聲波回波檢測的實(shí)現(xiàn)

回波檢測計(jì)算脈寬的時(shí)間需要用到定時(shí)器和外部中斷，外部中斷接超聲波的echo 并設(shè)置為下降沿觸發(fā)。定時(shí)器的初始化如下。

rTCFG0=0x9595; //預(yù)分頻值為95

rTCFG1=0x00000; //分割值1/2

rTCNTB0=10000; /

根據(jù)T=[TCNTB0*(TCFG0+1)*(1/TCFG1)]/50MHZ 得出定時(shí)器的周期為60ms 在這個(gè)時(shí)間段里足以計(jì)算回波時(shí)間。

外部中斷1 初始化如下

rGPFCON=0xaa; //GPF1 設(shè)置為EINT1

rINTMOD=0x0; //設(shè)置為普通中斷

rGPFUP=0xf; //禁止GPF0 上拉電阻

pISR_EINT1=(unsigned)Eint1Handler; //建立中斷向量

EnableIrq(BIT_EINT1); //使能中斷

rEXTINT0 =0x492; // EINT1 下降沿觸發(fā)

根據(jù)T=[TCNTB0*(TCFG0+1)*(1/TCFG1)]/50MHZ 得出定時(shí)器的周期為60ms 在這個(gè)時(shí)間段里足以計(jì)算回波時(shí)間。

3.4 在外部中斷中計(jì)算機(jī)距離

3.5 循環(huán)控制與輪詢測距

由于超聲波之間有干擾，采用輪詢的方式依次打開超聲波，每次只測一個(gè)，這樣可以有效地避免干擾，為了提高實(shí)時(shí)性可以控制定時(shí)器周期，比如設(shè)置為35ms，這樣四路超聲波輪詢一次大約為140ms，足以滿足實(shí)時(shí)要求。

4 機(jī)器人控制的實(shí)現(xiàn)

圖3 為利用超聲波的反饋信息控制機(jī)器人直流電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

linux 系統(tǒng)中超聲波傳感器為只讀的字符設(shè)備，具體應(yīng)用為在應(yīng)用程序下打開超聲波設(shè)備，然后在驅(qū)動(dòng)中測距，測得的數(shù)據(jù)傳到應(yīng)用程序，應(yīng)用程序中有超聲波的避障算法，根據(jù)算法判斷障礙物的位置給直流電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行避障導(dǎo)航。

觸摸屏中的圖形界面中含有機(jī)器人的指令設(shè)置， 可以設(shè)置運(yùn)行速度，圖像采集與超聲波模塊的打開與關(guān)閉，是否開啟機(jī)器人模糊算法運(yùn)行軌跡還是使用普通的PID 調(diào)節(jié)， 這使得機(jī)器人有很多種方案可以選擇。

機(jī)器人的每一次行為都是根據(jù)超聲波傳感器測得的值和當(dāng)前機(jī)器人運(yùn)行的即時(shí)速度來來給出將要運(yùn)行的時(shí)間，在遇到障礙物時(shí)(0 ---- 30 us， 等于30微秒時(shí)達(dá)到超聲波的最大探測距離)，開啟攝像頭圖像采集模塊，這時(shí)攝像頭會(huì)拍下障礙物的圖像，并利用無線MODEM把圖像傳回控制電腦，這樣用戶就可以知道前方是什么障礙物，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的自主避障和采集障礙物信息的作用，可以用來探測未知環(huán)境。

5 結(jié)論

本文采用新型的超聲波傳感器，在ARM9 與嵌入式linux 為平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了超聲波的測距， 并利用超聲波傳感器控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。該機(jī)器人目前已經(jīng)成功應(yīng)用與本項(xiàng)目的開發(fā)并取得良好的效果。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：采用一種精度高的新型超聲波傳感器，用軟件方法克服了它在ARM9 中不利于檢測回波的問題，成功應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡控制， 使得機(jī)器人無論在行走和圖像采集的即時(shí)性上都得到了很大的高。