隨著社會(huì)暴力犯罪和恐怖活動(dòng)呈上升趨勢(shì)，士兵面臨的威脅更突然、直接、致命，這對(duì)部隊(duì)人員使用的武器裝備提出了更高要求。戰(zhàn)場(chǎng)無人裝備作為一種功能強(qiáng)大、反應(yīng)迅速、代價(jià)低廉、應(yīng)用廣泛的多技術(shù)融合體，漸漸步人人們的視野。為了能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)戰(zhàn)場(chǎng)無人裝備的自主避障導(dǎo)航，必須建立移動(dòng)戰(zhàn)場(chǎng)無人裝備的測(cè)距避障導(dǎo)航系統(tǒng)。用于戰(zhàn)場(chǎng)無人裝備測(cè)距避障的實(shí)現(xiàn)方法有多種，主要有超聲避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達(dá)等避障方法。其中超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、速度快、性價(jià)比高和硬件實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用到移動(dòng)戰(zhàn)場(chǎng)無人裝備的感知系統(tǒng)中。
    以微控制器為核心的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的興起，超聲波檢測(cè)裝置在其檢測(cè)精度、手段、應(yīng)用范圍上實(shí)現(xiàn)了新的飛躍，廣泛應(yīng)用于智能化檢測(cè)和機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域。文中介紹了一種以單片機(jī)為主控芯片，采用多組超聲波傳感器采集障礙物信息，結(jié)合溫度補(bǔ)償原則，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。該測(cè)距系統(tǒng)結(jié)合模糊控制避障算法，在自行設(shè)計(jì)的武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)上得到實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)的安全避障。

1 超聲波測(cè)距原理
    超聲波測(cè)距技術(shù)是一種非接觸式的測(cè)量物體間距離的方法。它是基于無目視能力的生物防御及捕捉獵物生存的原理。通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波時(shí)間，計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體與障礙物間的距離。對(duì)距離的測(cè)定通常采用渡越時(shí)間法，即利用超聲波探頭向某一方向發(fā)射出超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波在介質(zhì)中碰到被測(cè)物體，就會(huì)發(fā)生反射，探頭接收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)，從而計(jì)算
出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t，繼而根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)物之間的距離d=C×△t／2。
    超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有關(guān)，為了獲得較精確的聲速，必須引入溫度補(bǔ)償。對(duì)空氣而言，本文采用超聲波速度C與環(huán)境溫度T的關(guān)系按如下公式計(jì)算：。硬件設(shè)計(jì)中加入溫度補(bǔ)償電路，本文采用溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度送給單片機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以修正聲速。

2 測(cè)距避障系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)由運(yùn)動(dòng)行走子系統(tǒng)、火力控制子系統(tǒng)、偵察子系統(tǒng)、測(cè)距避障子系統(tǒng)組成，總體采用分級(jí)式控制方式，各子系統(tǒng)在中央處理器控制下完成相應(yīng)工作。測(cè)距避障子系統(tǒng)是武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)重要組成部分，在硬件設(shè)計(jì)上，采用主、從機(jī)結(jié)構(gòu)，從機(jī)主要完成測(cè)距數(shù)據(jù)的采集處理，主機(jī)根據(jù)從機(jī)采集的距離信息完成復(fù)雜的避障算法，控制機(jī)器人的行走。從機(jī)主控芯片采用STC12C5412AD單片機(jī)，4組超聲波收發(fā)
傳感器采集障礙物信息，DS18B20溫度傳感器測(cè)定環(huán)境溫度，液晶1602顯示4組測(cè)定距離和環(huán)境溫度，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

     編號(hào)1、2、3、4分別代表4組超聲波傳感器，武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)的左右兩側(cè)各安裝1組，前方安裝兩組，分別用于感知各自方向上的障礙物信息，超聲波傳感器在武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)上的分布如圖2所示。

    溫度傳感器DS18B20用于感知環(huán)境溫度，把采集到的環(huán)境溫度送給單片機(jī)作溫度補(bǔ)償，提高測(cè)量障礙物與武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)距離的精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障。
    武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)避障運(yùn)動(dòng)分為4種情況：(a)只有1、2兩組超聲波檢測(cè)到障礙物，此時(shí)小車向右運(yùn)動(dòng)，若3、4組測(cè)到障礙物則向相反方向運(yùn)動(dòng)。(b)當(dāng)前方發(fā)現(xiàn)障礙物，1、4組均未檢測(cè)的障礙物時(shí)，令小車向右運(yùn)動(dòng)。(c)當(dāng)4組超聲波都測(cè)到障礙物時(shí)，小車先倒退，然后向右運(yùn)動(dòng)。(d)若1、4檢測(cè)到障礙物而2、3沒有檢測(cè)到障礙物，小車并不改變方向仍按直線行走。

3 測(cè)距避障系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 超聲波發(fā)射電路
    超聲波發(fā)射電路如圖3所示。它由超聲波波形產(chǎn)生電路、功率放大電路和發(fā)射控制電路3部分組成。由于4組超聲波傳感器需要實(shí)現(xiàn)功能相同，電路基本一樣，只是控制電路端口改變，因此只對(duì)一組超聲波收發(fā)器的功能實(shí)現(xiàn)作介紹。選單片機(jī)的端口P1.0為控制信號(hào)線，控制觸發(fā)NE555時(shí)基振蕩電路產(chǎn)生頻率為40 kHz的方波信號(hào)，其振蕩頻率計(jì)算公式如式(1)所示。
   

    由于發(fā)出的超聲波信號(hào)達(dá)不到用于測(cè)量所需的強(qiáng)度，且隨著測(cè)量距離的增加，超聲波在空氣中的損耗也不斷增加，經(jīng)反射接收到的回波信號(hào)十分微弱，不利于從大量雜信號(hào)中提取出來。為了提高探測(cè)的準(zhǔn)確性，在超聲波傳感器與NE555輸出端加上電壓放大電路，對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大，提高方波信號(hào)的電壓值及強(qiáng)度，本系統(tǒng)的最大測(cè)距范圍為15 m，由于在軟件設(shè)計(jì)中使用了抗反射波直接被接收的限制，最近測(cè)距范圍為20 cm。
3．2 超聲波接收電路
    超聲波接收電路如圖4所示。它由超聲波接收換能器、運(yùn)算放大器、選頻電路及多路選通開關(guān)等部分組成。由于回波在接收傳感器經(jīng)壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)是mV級(jí)，所以接收到的回波信號(hào)必須經(jīng)放大電路放大后才能由下一級(jí)的選頻檢測(cè)電路處理。放大電路采用MC33202D集成運(yùn)算放大器，第一級(jí)放大100倍，第二級(jí)放大10倍。選頻電路由音頻譯碼器LM567CN實(shí)現(xiàn)，其5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部振蕩器的中心頻率fo，fo≈1／(1．1R1C1)。當(dāng)Input端接收到的信號(hào)中有接近LM567設(shè)定的頻率且具有一定幅值的回波時(shí)，LM567的輸出引腳OUTPUT
由高電平變?yōu)榈碗娖剑说碗娖叫盘?hào)被連接到STC12C5412AD單片機(jī)的INT0引腳觸發(fā)中斷。STC12C5412AD單片機(jī)在發(fā)射超聲波時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，
在中斷產(chǎn)生時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，從而得到超聲波傳播的時(shí)間△t，計(jì)算武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)與障礙物的距離。

3．3 溫度測(cè)量電路
    超聲波在空氣中傳播時(shí)，大氣壓力、空氣的溫度、濕度等都影響其速度，其中空氣的溫度對(duì)超聲波聲速影響最大。為了得到更準(zhǔn)確的超聲波聲速，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)部分對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，以提高超聲測(cè)距精度。測(cè)量環(huán)境溫度時(shí)，直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性。為此，本系統(tǒng)采用了DS18B20溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其溫度測(cè)量范圍為-55～125℃，測(cè)量分辨率為0．5℃，微處理器接口簡(jiǎn)單，輸出為溫度值的9位(二進(jìn)制)數(shù)據(jù)讀數(shù)。可方
便地實(shí)現(xiàn)超聲波聲速的溫度補(bǔ)償，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

4 測(cè)距避障系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件由主程序、超聲測(cè)距子程序、溫度數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序等組成。主程序和超聲測(cè)距子程序的流程圖分別如圖5和圖6所示。主程序首先在上電復(fù)位后，完成STC12C5412AD單片機(jī)及其外圍功能模塊的初始化。然后調(diào)用溫度采集控制程序，讀取當(dāng)前溫度值，并利用溫度補(bǔ)償程序，計(jì)算出當(dāng)前溫度下超聲波的波速。接著依次啟動(dòng)4路超聲波的發(fā)射，在超聲波發(fā)射過程中，屏蔽接收電路向單片機(jī)輸入信號(hào)。同時(shí)，使能定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)。超聲波每次發(fā)射10個(gè)周期的信號(hào)，耗時(shí)為250μs。由于超聲波在發(fā)射過程中會(huì)產(chǎn)生余波，同時(shí)
超聲波發(fā)射傳感器與接收傳感器相距較近，所以發(fā)射時(shí)會(huì)有部分余波未經(jīng)反射直接繞射到超聲波接收傳感器上，引起系統(tǒng)誤差。為了避免誤差，采用延遲接收的方法，在超聲波發(fā)射完1ms后開放接收電路，并使能外部中斷，調(diào)用延時(shí)程序，等待超聲波回波，所以存在20 cm范圍內(nèi)盲區(qū)。若有回波，則引起中斷，調(diào)用中斷服務(wù)程序，讀取T1計(jì)數(shù)值，經(jīng)處理后，計(jì)算出距離，送LED顯示，同時(shí)把計(jì)算距離送至避障子程序入口，產(chǎn)生相應(yīng)的避障指令，控制機(jī)動(dòng)平臺(tái)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、倒退等動(dòng)作。

    文中把上述電路和算法應(yīng)用于武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)距避障系統(tǒng)，進(jìn)行了多次超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率較低時(shí)，測(cè)量距離與實(shí)際距離間的誤差較小，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，測(cè)距誤差有所增大，基本達(dá)到了系統(tǒng)所要求的精度范圍。

5 結(jié)束語
    本測(cè)距系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，充分利用其硬件資源，設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，軟件編程易實(shí)現(xiàn)。在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了4路超聲波收發(fā)傳感器采集障礙物信息，同時(shí)加入溫度補(bǔ)償電路，提高測(cè)量精度。在編制系統(tǒng)軟件時(shí)，考慮到超聲波測(cè)距過程的“盲區(qū)”問題，在虛假反射波到來之前這段時(shí)間內(nèi)禁止接收中斷的發(fā)生，避開了虛假反射波帶來的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到了系統(tǒng)所要求的精度范圍，
在武裝機(jī)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)上得到應(yīng)用。