一種環境探測機器人超聲波測距系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于一種應用在煤礦礦井探測領域用來檢測煤礦事故，具體地是涉及一種環境探測機器人超聲波測距系統。
【背景技術】
[0002]我國是一個煤炭生產大國，煤礦事故發生頻繁，災害礦井環境探測機器人可以代替救護人員進入危險區域完成現場環境的探測，對災后的救援工作具有十分重要的意義。環境探測機器人要實現在未知和不確定環境下的運行，很重要的一點是要求機器人具有檢測障礙物的功能，并根據機器人與障礙物之間的距離來執行加速、減速、自動轉向、躲避障礙物等特定指令，這就涉及到障礙物距離的測量，這是實現機器人自動導航的前提，具有重要意義。
[0003]目前視覺、激光、紅外線、超聲波等測距方法在機器人系統中已得到了廣泛的應用。激光及視覺傳感器造價貴，對控制器的要求比較高；紅外線傳感器易受外界環境的干擾，并且其有效測量距離較短，一般在幾厘米至幾十厘米之間；超聲波測距作為一種非接觸的檢測方法和激光、視覺、紅外測距相比，在短距離范圍內具有不受外界光線干擾、傳感器結構簡單、成本低等優點。
【發明內容】
[0004]本發明就是針對上述問題，彌補現有技術的不足，提出一種環境探測機器人超聲波測距系統。本發明具有采集信息速率快，距離分辨率高，體積小、質量輕、易于裝卸等優點；能夠使機器人可以全面地檢測周圍障礙物的距離信息。
[0005]為實現本發明的上述目的，本發明采用如下技術方案。
[0006]本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統，包括超聲波發送模塊和超聲波接受模塊、單片機、障礙物；其結構特點是:所述超聲波發送模塊包括超聲波振蕩器、驅動模塊、超聲波換能器；所述超聲波接受模塊包括超聲波換能器、接受放大模塊、整形模塊、觸發器；所述超聲波發送模塊發送信號到障礙物，再由超聲波接受模塊接受信號，所述超聲波接受模塊再連接到單片機。
[0007]另外，由于本發明需要多個超聲波傳感器來構成避障，因此采用傳感器陣列，這樣減小單片機負擔；采用555定時器構成多諧振蕩器來產生40KHZ的超聲波；本發明所述單片機的I/O接口數量有限，而系統需要對多路模擬量進行采集，因此需要用多路模擬開關來輪流切換信號的輸入。目前廣泛使用的多路模擬開關都是集成多路模擬開關，本發明采用⑶4051進行設計，所述⑶4051為單端8通道多路模擬開關。
[0008]作為本發明的一種優選方案，所述超聲波發送模塊的超聲波振蕩器連接驅動模塊，驅動模塊再連接超聲波換能器；所述超聲波接受模塊的聲波換能器連接接受放大模塊，接受放大模塊連接整形模塊，整形模塊連接觸發器。
[0009]作為本發明的另一種優選方案，所述超聲波接受模塊的聲波換能器采用超聲波接受探頭，所述接受放大模塊采用兩級信號放大電路，所述整形模塊采用整流和濾波電路，所述觸發器采用比較電路。
[0010]進一步地，本發明所述整流電路采用一個運算放大器和一個二極管構成。
[0011]本發明的有益效果是。
[0012]本發明設計了災害礦井環境探測機器人超聲波測距系統，該測距系統采用單片機作為控制器，采用多個超聲波傳感器，通過多路模擬開關與單片機相連，從而使機器人可以全面地檢測周圍障礙物的距離信息。
[0013]首先，設計了超聲波測距系統的硬件電路，包括超聲波發送模塊和超聲波接受模塊兩部分，采用多個超聲波傳感器來構成避障傳感器陣列，借助多路模擬開關連接到單片機；其次，采用渡越時間法進行測距；使得超聲波傳感器在移動機器人應用中具有很大的優勢。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的硬件框圖。
[0015]圖2是本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的超聲波發送電路圖。
[0016]圖3是本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的超聲波接收模塊電路圖。
[0017]圖4是本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的⑶4051與單片機和超聲波發送電路的連接電路圖。
[0018]圖5是本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的⑶4051與單片機和超聲波接收電路的連接電路圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，為本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的硬件框圖。包括超聲波發送模塊和超聲波接受模塊、單片機、障礙物；其結構特點是:所述超聲波發送模塊包括超聲波振蕩器、驅動模塊、超聲波換能器；所述超聲波接受模塊包括超聲波換能器、接受放大模塊、整形模塊、觸發器；所述超聲波發送模塊發送信號到障礙物，再由超聲波接受模塊接受信號，所述超聲波接受模塊再連接到單片機。
[0020]另外，由于本發明需要多個超聲波傳感器來構成避障，因此采用傳感器陣列，這樣減小單片機負擔；采用555定時器構成多諧振蕩器來產生40KHZ的超聲波；本發明所述單片機的I/O接口數量有限，而系統需要對多路模擬量進行采集，因此需要用多路模擬開關來輪流切換信號的輸入。目前廣泛使用的多路模擬開關都是集成多路模擬開關，本發明采用⑶4051進行設計，所述⑶4051為單端8通道多路模擬開關。
[0021]如圖2所示，為本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的超聲波發送電路圖。其中，超聲波發送電路采用555定時器構成多諧振蕩器來產生40KHZ的超聲波。
[0022]超聲波測距的方法有多，如渡越時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法等。相位檢測法測距精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響；本發明采用渡越時間檢測法測距，其原理是超聲波傳感器發射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經反射后的超聲波由超聲波接收器接收，其在空氣中傳播的時間即為往返時間，往返時間與超聲波傳播的距離有關，測試傳輸時間就可以得出距離。渡越時間的測量有很多種方法，如脈沖回波法、調頻法、相位法、頻差法等，目前應用最普遍的是脈沖回波法。
[0023]如圖3所示，為本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的超聲波接收模塊電路圖。其中，所述超聲波接收模塊電路包括兩級信號放大電路、整流電路、濾波電路、比較電路；所述兩級信號放大電路、整流電路、濾波電路、比較電路順次連接。兩級信號放大電路結構相同，共將信號放大100倍，整流電路采用一個運算放大器和一個二極管構成半波整流電路，接在整流電路后面的低通濾波電路僅讓40KHZ頻率的信號通過，對于比較電路，根據接收信號的大小來調整RP，來改變輸出信號的大小。該接收電路的設計完全滿足了輸入信號對電路的要求，在超聲波測距工作中可以較好的接收回波信號。
[0024]如圖4和5所示，為本發明一種環境探測機器人超聲波測距系統的⑶4051與單片機和超聲波發送(接收)電路的連接電路圖；其中，本發明所述CD4051為單端8通道多路模擬開關，采用CD4051作為多路模擬開關控制超聲波傳感器組路數的選通，將兩個CD4051與單片機和超聲波傳感器相連，兩CD4051的A、B連接在一起，由單片機發出控制信號，控制傳感器組路數的選通。在多路開關與單片機之間加有一個由運算放大器構成的電壓跟隨器起到隔離、提高輸入阻抗作用。
【主權項】
1.一種環境探測機器人超聲波測距系統，包括超聲波發送模塊和超聲波接受模塊、單片機、障礙物；其特征在于:所述超聲波發送模塊包括超聲波振蕩器、驅動模塊、超聲波換能器；所述超聲波接受模塊包括超聲波換能器、接受放大模塊、整形模塊、觸發器；所述超聲波發送模塊發送信號到障礙物，再由超聲波接受模塊接受信號，所述超聲波接受模塊再連接到單片機。2.根據權利要求1所述的一種環境探測機器人超聲波測距系統，其特征在于:所述超聲波發送模塊的超聲波振蕩器連接驅動模塊，驅動模塊再連接超聲波換能器；所述超聲波接受模塊的聲波換能器連接接受放大模塊，接受放大模塊連接整形模塊，整形模塊連接觸發器。3.根據權利要求1所述的一種環境探測機器人超聲波測距系統，其特征在于:所述超聲波接受模塊的聲波換能器采用超聲波接受探頭，所述接受放大模塊采用兩級信號放大電路，所述整形模塊采用整流和濾波電路，所述觸發器采用比較電路。4.根據權利要求3所述的一種環境探測機器人超聲波測距系統，其特征在于:所述整流電路采用一個運算放大器和一個二極管構成。
【專利摘要】一種環境探測機器人超聲波測距系統。本發明具有采集信息速率快，距離分辨率高，體積小、質量輕、易于裝卸等優點；能夠使機器人可以全面地檢測周圍障礙物的距離信息。本發明包括超聲波發送模塊和超聲波接受模塊、單片機、障礙物；其結構特點是：所述超聲波發送模塊包括超聲波振蕩器、驅動模塊、超聲波換能器；所述超聲波接受模塊包括超聲波換能器、接受放大模塊、整形模塊、觸發器；所述超聲波發送模塊發送信號到障礙物，再由超聲波接受模塊接受信號，所述超聲波接受模塊再連接到單片機。
【IPC分類】G01S15/08
【公開號】CN105629242
【申請號】CN201410582931
【發明人】何志杰
【申請人】何志杰
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2014年10月28日