汽车倒车防撞自动测距报警系统设计
基于单片机的倒车防撞预警系统毕业设计

基于单片机的倒车防撞预警系统毕业设计倒车防撞预警系统是一种能够帮助驾驶员在倒车过程中避免碰撞的设备。
本文基于单片机设计了一种倒车防撞预警系统,并进行了详细的介绍。
该系统主要由倒车传感器、控制电路、显示屏和蜂鸣器组成。
其中,倒车传感器用于检测车辆周围的障碍物,通过将传感器输出的数据传给控制电路进行处理。
控制电路根据接收到的传感器数据,计算出障碍物与车辆的距离,并控制显示屏和蜂鸣器发出相应的警报。
在设计中,我们选择了超声波传感器作为倒车传感器,因为它能够准确地测量障碍物与车辆的距离。
我们将超声波传感器固定在车辆的后部,并将其与单片机相连。
当车辆开始倒车时,超声波传感器开始工作,并将检测到的障碍物距离传给单片机。
单片机接收到传感器数据后,根据一定的算法计算出车辆与障碍物的距离,并根据距离的大小决定是否发出警报。
为了方便驾驶员了解障碍物的距离,我们在车辆驾驶室内安装了一个显示屏,用于显示障碍物与车辆的距离。
当障碍物与车辆的距离小于一定值时,系统还会通过蜂鸣器发出警报,提醒驾驶员注意。
在系统的设计过程中,我们考虑到了多种因素。
首先,我们要确保传感器的数据准确性,要选择合适的传感器并进行校准。
其次,我们要考虑到驾驶员对系统的操作是否方便,要保证显示屏和蜂鸣器能够清晰地传达信息。
最后,我们还要考虑系统的可靠性和稳定性,要进行充分的测试和优化。
倒车防撞预警系统可以提高驾驶安全性,避免驾驶员在倒车过程中因为盲区而发生碰撞。
我们通过基于单片机的设计,实现了一个简单有效的倒车防撞预警系统。
通过这个设计,我们还深入了解了单片机的应用和原理。
希望这个设计能够对相关领域的研究和开发工作提供一些参考和启示。
汽车倒车防撞报警器的设计--本科毕业设计(论文)

通过详细列举汽车倒车防撞报警器的若干代演变历程,分析了报警器的研究背景及意义,比较提出了报警器存在的各类问题,同时分析了在超声波测距基础上研发的该类产品的原理和方法。
详细介绍了在AT89C51单片机基础上同时结合超声波脉冲测距的设计出的一款汽车倒车防撞报警器。
通过测量超声波在空气中传播的时间和速度计算得到所测量距离。
详细介绍了超声波测距的基本要求及各类物件的特性,概括性的分析了硬软件模块部分的设计原理与方法,具有很高的可用性。
关键词:超声波;AT89C51;防撞;测距The design details a collision alarm car reversing several generations of evolution, to analyze the background and significance of alarm, comparing various issues raised alarms exist, and analyzes the development of ultrasonic distance measurement based on the principles and methods of the class of products. The design described in detail based on AT89C51 microcontroller combined with the design of ultrasonic pulses ranging reversing out of a car crash alarm. The design of the distance calculated by the measured time and the propagation velocity of ultrasonic measurement in air. Papers detailing the characteristics of the basic requirements of ultrasonic ranging and various objects, broad analysis of the hardware and software design principles and methods section of the module, with high availability.Keywords: ultrasonic; AT89C51; anti-collision; ranging1 绪论 (1)1.1 课题研究背景及意义 (1)1.2 国内外发展状况 (1)1.3 存在的问题 (2)2 超声波测距原理 (3)2.1 测距方法的主要类型 (3)2.2 选题使用的测距方法 (4)2.3 超声波测距原理及实现 (4)3 单片机的选择 (4)3.1 AT89C51的简介 (4)3.2 AT89C51的主要性能参数 (5)4 系统工作原理 (5)4.1 硬件部分设计 (6)4.1.1 超声波发送模块 (6)4.1.2 超声波接收模块 (6)4.2 语音电路 (7)4.3 软件部分设计 (8)4.4 调试与优化 (10)5结论 (10)参考文献 (11)致谢 (12)1.1 课题研究背景及意义社会在进步,经济在发展,汽车已经成为人们出行必不可少的工具,交通拥堵情况日趋严重,不同级别的车辆事故也越来越频繁,给人们的人身安全和经济状况造成了或多或少的威胁,在这种情况下,设计一种响应速度快,可靠性高,经济实用的汽车防撞预警系统显得尤为重要。
超声波测距汽车倒车防撞报警器设计

超声波测距汽车倒车防撞报警器设计摘要本设计采用超声波测距,可用作汽车泊车安全辅助装置,能以声音和更为直观的LED 显示告知驾驶员汽车周围障碍物的情况,解除了驾驶员在泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的烦扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高了泊车安全性。
本设计硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路、电源电路和报警电路组成,软件部分主要由主程序、超声波发射接收子程序、距离计算子程序及显示子程序等部分组成。
本设计由AT89C2051单片机控制时间计数,计算超声波自发射至接收的往返时间,利用超声波在空气中的传输速度,从而得到实测距离。
该设计的电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。
关键词:AT89C2051、超声波、数码管、汽车倒车Auto reverse bull alarm designAbstractThis design uses the ultrasonic ranging, can be used for car parking safety auxiliary devices, to sound and more ocular LED display told the driver of the car around obstacles, lifting the driver in the parking and starting vehicles around when visiting caused the trouble, and help eliminate the vision blind Angle and the driver of sight fuzzy defects, improve the safety car parking.The design of hardware mainly by single-chip microcomputer control circuit, ultrasound circuit, ultrasonic receiving circuit, digital circuit, the pipe display circuit and alarm circuit composition, the software of mainly by the main program, ultrasound receiving interruption program, distance subroutines and display subroutines components. This design by single chip microcomputer AT89C2051 control time count, the calculation to receive from launch ultrasonic round-trip time, use of ultrasonic transmission speed in the air, so as to get the distance. The design of the circuit design simple, reasonable stable and good performance, test speed, simple calculation, easy to do real-time control, and in the measurement error can achieve simple industrial practical requirement.Key words: AT89C2051 ,Ultrasonic, Digital tube,Automobile reverse1. 绪论 (1)1.1课题研究背景及目的 (1)1.2课题国内外研究状况 (2)1.3课题研究方案比较 (3)1.4论文构成及研究内容 (4)2.超声波基本发展史及原理 (5)2.1超声波发展简史 (5)2.2超声波的应用 (6)2.3超生波测距方法 (9)3.系统整体设计 (10)3.1系统整体设计框图 (10)3.2硬件选型 (11)3.2.1超声波探头的中心频率及主要参数 (11)3.2.2单片机的选择 (12)3.2.3其他元器件的选择 (13)4.硬件电路设计 (13)4.1单片机外围电路设计 (13)4.2超声波发射电路设计 (14)4.3超声波接收电路设 (15)4.3.1CX2016A简介 (15)4.3.2超声波接收电路 (16)4.4LED显示电路 (17)4.5报警电路设计 (18)5.软件系统设计 (19)5.1 程序流程设计 (19)5.2汽车倒车报警器程序的程序清单 (20)6.总结 (24)附录 (25)1.绪论1.1课题研究背景及目的随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺,我国汽车的数量逐年攀升。
基于超声波测距的汽车倒车防撞报警系统设计

基于超声波测距的汽车倒车防撞报警系统设计一、本文概述本文针对汽车安全驾驶领域的重要需求,详细探讨并设计了一种基于超声波测距技术的汽车倒车防撞报警系统。
随着城市交通环境复杂性的增加以及人们对行车安全意识的提高,如何有效防止因驾驶员视线盲区和操作失误引起的倒车碰撞事故成为研究热点。
本系统利用超声波传感器作为主要探测元件,通过发射和接收超声波信号来精确测量车辆与后方障碍物之间的实时距离,并结合智能算法分析处理这些数据,以便在车辆靠近障碍物到危险距离时及时发出报警提示,辅助驾驶员做出正确决策,从而显著提升倒车安全性。
文章首先阐述了该系统的背景意义和技术原理,随后深入剖析超声波测距方法及其在汽车应用中的优势和挑战接着,详细介绍了系统架构设计,包括硬件组成(如超声波传感器模块、信号处理电路、报警装置等)及软件算法实现通过实验验证了系统的性能指标,探讨其在不同工况下的稳定性和准确性,并对未来可能的优化方向进行了展望。
通过本文的研究,期望能为汽车主动安全技术的发展贡献一份力量,推动相关产品的实际应用与普及。
二、超声波测距原理及技术超声波测距技术是利用超声波在空气中的传播特性来实现距离测量的方法。
超声波是一种频率高于人耳能听到的上限(约20kHz)的声波,它在空气中的传播速度相对恒定,约为343米秒。
这一特性使得超声波非常适合用于精确的距离测量。
超声波测距的基本原理是发射器发射出一定频率的超声波,当这些波遇到障碍物时会发生反射,反射波被接收器接收。
通过测量超声波发射和接收之间的时间差,可以计算出超声波传播的距离。
由于超声波的传播速度是已知的,因此可以通过以下公式计算距离:这里的“时间差 2”是因为超声波需要从发射器传播到障碍物,再从障碍物反射回接收器,所以总时间是往返时间。
在汽车倒车防撞报警系统中,超声波传感器通常被安装在汽车的尾部。
当驾驶员开始倒车时,系统会自动激活传感器,传感器开始发射超声波。
超声波遇到车辆后方的障碍物时反射回来,被传感器接收。
基于超声波测距的汽车倒车报警器设计

基于超声波测距的汽车倒车报警器设计引言:随着汽车保有量的不断增加,交通事故的发生频率也在逐年上升。
据统计数据显示,导致交通事故的常见原因之一就是倒车操作不当。
为了减少倒车事故的发生,汽车倒车报警器应运而生。
其中,基于超声波测距的汽车倒车报警器成为一种常见的解决方案。
本文将对基于超声波测距的汽车倒车报警器进行设计。
一、原理介绍超声波测距是利用超声波在空气中传播到达障碍物后反射回来的时间差来计算与障碍物的距离的一种技术。
在汽车倒车报警器中,通过将超声波传感器安装在车辆的后部,可以测量车辆与障碍物之间的距离。
当距离过近时,报警器会发出声音或者光信号来提醒驾驶员。
二、硬件设计1.超声波传感器:选择一款高性能的超声波传感器,它能够发送超声波信号并接收反射回来的信号,测量距离。
2.控制器:选用一款可编程的微控制器,用于处理和控制超声波传感器的信号,以及控制报警器的工作。
3.报警器:可选用蜂鸣器、LED灯或者液晶屏等报警装置,用于向驾驶员发出警告信号。
4.电源:选用稳定的直流电源供给整个系统,包括超声波传感器、控制器和报警器等。
三、软件设计1.初始化:在系统上电后,初始化控制器和超声波传感器,设置相应的参数,如采样率、测量范围等。
2.超声波测距:控制器通过超声波传感器发送超声波信号,测量信号反射回来的时间差,然后利用速度乘以时间差的一半来计算距离。
3.距离处理:将测得的距离与设定的安全距离进行比较,如果距离过近,则控制报警器发出声音或者光信号。
4.报警模式:可以设计多种报警模式,如声音频率逐渐加快、LED灯闪烁等,以提醒驾驶员注意。
四、优化设计1.多传感器设计:可以将多个超声波传感器分布在车辆周围,以提高测距的准确性,并增加障碍物的识别能力。
2.声音控制:可以引入声音控制模块,当车内有人讲话或者发出声音时,报警器暂时关闭,避免误报。
3.防水设计:考虑到汽车经常遇到雨水等恶劣环境,对超声波传感器和控制器进行防水设计,以保证系统的稳定性和可靠性。
基于超声波测距的汽车倒车防撞报警系统设计

基于超声波测距的汽车倒车防撞报警系统设计汽车倒车防撞报警系统是一种基于超声波测距技术的安全辅助设备,能够帮助驾驶员在倒车时避免与障碍物发生碰撞,提高行车安全性。
本文将对该系统的设计进行详细介绍。
首先,该系统主要由超声波传感器、控制器和报警器组成。
超声波传感器负责探测车辆周围的障碍物距离,传输给控制器进行处理。
控制器根据传感器的数据判断是否存在碰撞的风险,并通过报警器向驾驶员发出警告信号,提醒其采取正确的行动。
在系统的设计过程中,首先需要选择合适的超声波传感器。
传感器的选择应考虑其测距范围、精度和对环境的适应性等方面。
一般来说,超声波传感器在测距范围内可以提供较高的测量精度,并且对大多数障碍物均有良好的适应性。
接下来,控制器的设计是系统中的关键部分。
控制器需要实时接收传感器上传的距离数据,并进行数据处理和决策。
控制器可以使用嵌入式系统来实现。
在数据处理方面,可以使用一些常见的算法,如滤波算法、虚拟线算法等,来进行数据处理和障碍物的识别。
在决策方面,可以设置适当的距离阈值,当距离低于该阈值时触发警报。
最后,报警器的设计需要考虑其音量和可靠性。
对于音量,报警器应具备足够的声音大小,以确保驾驶员能够听到警报并及时做出反应。
对于可靠性,报警器应具备较长的寿命和稳定的性能,以确保系统能够长时间稳定运行。
此外,为了提高系统的可用性,还可以考虑加入其它功能,如图像显示功能。
通过搭载摄像头和显示器,可以将车辆周围的情况实时显示在显示器上,使驾驶员更加直观地了解障碍物的位置和距离。
总之,基于超声波测距的汽车倒车防撞报警系统是一种重要的安全辅助设备。
通过合理选择超声波传感器、设计有效的控制器和报警器,并加入其它功能,可以实现对倒车过程的有效监控和警示,提高驾驶员的行车安全性。
汽车倒车防撞告警器的设计

汽车倒车防撞告警器的设计摘要最近几年来, 随着中国经济的高速进展和居民生活水平的不断提高,居民拥有汽车的数量愈来愈多。
道路上、停车场变得愈来愈拥堵。
咱们驾车穿行、拐弯、倒车等总次数不断增加,而汽车驾驶员视野又是超级有限,碰撞和拖挂的事故时有发生,夜间就更不平安了。
驾驶员希望能有一种汽车报警系统,在行驶的时候能够不断测量车辆车尾与后面障碍物的距离(或车与车的距离)而且,能够在仪表板上显示出来,并在不同的警示距离范围发出不同的报警信号,以提高驾驶的平安性。
随着单片机技术在各领域普遍应用,使得由单片机组成的应用装置加倍灵活、稳固. 以往超声波技术在测量、测距等领域的应用是采纳超声波专用集成电路组成的,电路固定应用不灵活。
随着单片机技术的不断进展,单片机技术和超声波技术的不断结合,超声波技术的应用前景加倍广漠。
关键词:报警,超声波,传感器,测距Reversing alarm anticollision designAbstractWith the rapid economic development of china and continuous improvement of living standards in recent years, residents have more and more cars. So Roads and parking lots become more and more crowded. the total number of driving、turning、reversing is growing, while car drivers′vision is very limited, collision and trailer accidents often occur, even more unsafe at night. drivers hopes to have a car alarm system, which can measure the distance between the rear and the obstacle (or the distance among the vehicles) while driving; and the distance can be displayed in the dashboard in order to improve driving safety, the various alarm signals was given out with the different alarm scope . With SCM technology used widely in various fields, the application device made by the SCM becomes more flexible and stable. While in the past, the application of ultrasound technology in the measurement is formed by specific ultrasound integrated circuit, the inflexibility in the circuit fixed application often happened before. With the continuous development of SCM technology, SCM technology and ultrasonic technology continues to combine, ultrasound technology have much broader prospects.Keywords: warning、ultrasonic、sensors、location目录1绪论 (1)课题的背景及目的 (1)国内外研究状况 (1)课题研究方式 (1)2 课题的方案设计与论证 (3)系统整体设计 (3)设计方案的论证 (4)3 系统的硬件结构设计 (6)单片机的选择 (6)3.1.1时钟电路 (7)3.1.2复位RST 9脚 (8)发射电路的设计 (9)接收电路的设计 (11)显示报警模块的设计 (13)4 系统软件的设计 (17)超声波汽车防撞电路的算法设计 (17)主程序流程图 (18)超声波发生子程序和超声波接收中断程序 (20)总结 (21)致谢 (22)参考文献 (23)附录 (24)1绪论课题的背景及目的随着汽车工业的快速进展,拥有私家轿车的人愈来愈多,将会显现的交通问题也会随之愈来愈多。
汽车防碰倒车撞报警系统设计.

目录摘要 (1)目录 (1)绪论 (3)第一章汽车防撞报警系统设计简介 (4)1.1 设计概要 (4)1.1.1设计任务与要求 (4)1.1.2研究方法 (4)1.1.3解决的关键问题 (4)1.2 汽车防撞报警系统设计的意义 (5)第二章设计思路分析 (7)2.1 系统总体方案 (7)2.2 工作原理 (8)2.3 控制器AT89C2051的功能特点 (8)第三章系统硬件电路设计 (9)3.1 系统硬件方案设计 (9)3.2 遥控器控制框图 (10)3.3 工作原理剖析 (11)3.3.1传感器的选择 (11)3.3.2超声波的发射与接收电路 (11)3.3.3测速原理 (12)3.4 实物设计所能达到的功能及操作说明 (12)第四章系统软件电路设计 (14)4.1 主程序 (14)4.2 串口通信模块——transplant.C (15)4.3 程序编写 (16)第五章调试与测试 (18)总结 (19)参考文献 (20)附录1 (20)附录2 (22)致谢 (25)绪论随着时代的发展及社会的进步,越来越多的汽车进入了普通人的家庭。
汽车逐渐成为人们生活中不可缺少的一部分。
尽管公路条件在不断地改进,但仍然避免不了公路上汽车拥挤的现状,再加上设计车速不断提高,恶性交通事故无时无刻不在发生,给人们和社会带来了巨大的生命与财产损失。
汽车防撞报警系统也因此应用而生。
汽车防撞报警系统是一种当汽车离障碍物较近时向司机预先发出报警信号的装置,通常系统的各个探测器安装于汽车的几个关键的车身部位,能探测到接近车身的行人、车辆和周围的障碍物,能向司机或乘客提前发出即将发生撞车危险的信号,促使司机甚至撇开司机采取应急措施处理特殊险情,避免损失。
同时当汽车发生故障时,可以通过按动警示信号键向过往的车辆发送无线警示信号,提醒过往车辆的司机注意,从而更有效地避免交通事故的发生。
汽车的各种方便性正不断地被人们所接受,现如今如同是一般的家用电器一样地进入平常百姓的家中,开发本系统,可以广泛地安装于各种家用轿车、客车、货车等,如与车载微型电脑相配合,可以实现更多的人工智能化操作,是实现汽车无人驾驶必不可少的一个组成部分,也是未来汽车的发展方向,因此运用前景是相当可观。
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超声波测距系统的障碍物检测摘要从超声波传感器获取的信息受传感系统的特性如敏感度,方向性等影响。
为了探讨其影响力,我们建立了两个特性互不相同的超声波测距系统,相互借鉴,研究,以检测他们的性能如障碍物检测性及合成的声纳图。
关键词:超声波测距,障碍物检测,声纳地图。
Ⅰ引言对于移动机器人,无论是否具有环境地图,其都需要具有识别环境的功能来寻找不可预知的障碍物和机器人可以通过的路径,。
至于射程传感器,可以测量与物体间的距离,超声波传感器普遍用于移动机器人中,因为它体积小,价格低廉,更易于距离的计算。
目前的超声波传感器系统通常使用的飞行时间计算距离(飞行时间)方法。
到反射物的距离l 通过公式l=ct/2计算。
其中c是超声波在空气中的传播速度,t是往返飞行时间(图1)。
飞行时间方法在回波幅度首次超过临界值后产生一个范围值。
尽管像这样简单的方法,从超声波传感器获取的信息仍受传感系统的特性影响,例如它的环境等。
为了探讨传感器系统的影响,我们建立了两个特性互不相同的超声波测距系统,相互借鉴,研究,检测他们的性能如障碍物检测性及合成的声纳图。
图1 TOF 原理图在第二节,我们介绍两个我们开发的超声波测距系统,。
其障碍物检测的可用性在第三节验证,声纳地图制作使用在第四部分。
最后,给出的结论是在第五节。
Ⅱ两个超声波测距系统图2显示了反射波的模型,其中有两个对象在视野中。
随着一个超声波的衰减和传播,反射回波幅度越远,对象就较小(甚至来自同一对象)。
由于我们使用的压电式超声波传感器,我们分别使用一个发射器和接收器。
因此,收到的波,包括从发射器接收的直接波必须被忽视。
我们已经开发出一种超声波测距系统A,其中一个根本的方法是采用以下的[4] [3]。
超声波是由具有长爆破波的发射器发出,为了压电振子充分振动。
一个范围值的计算方式是使用扩增回声飞行时间和阈值法水平。
检测回声的阈值恒定不变,以简化电路。
A系统每个信号的概念如图3所示。
但是,这种系统存在一些问题。
首先,回波信号是缓慢上升,然而回波信号强度没有那么大。
因此,易造成测量误差。
为了减少这种测量误差,超声波必须加速增加。
其次,测量范围是有限的,它由固定阈值水平决定。
当级别设置较高时,不可能检测远距离物体。
或者它当级别设置为低时可能检测出近距离的噪声。
此外,喇叭连接到A体系中增加波强度。
然而,它使方向性狭窄。
图2反射波的模型图3 A系统信号的概念为了解决A系统的问题,我们改进了发送和接收电路,开发了一种新型超声波传感器系统B。
B系统每个信号的概念如图4所示。
为了扩大回波信号的强度,加快了它的增加,一个单脉冲高电压用于发射器。
峰值电压约为720V,尽管它在系统A中是12V的。
这种方法有以下好处。
首先,掩蔽时间随着传送时间的缩短可缩短。
因此,它可以测量近距离物体。
其次,通过利用高电压超声波脉冲发射,发射波上升时间缩短了。
因此,测量误差可减少。
对于接收,阈值水平随时间递减,并逐步适应回波振幅减少随距离增加。
我们把这种方法称为时间阈值控制。
此方法对于近处物体具有很强的噪声,而且可以测量较远距离的对象。
宝丽来超声波测距定位传感器解决了随时间变化的放大系数这个问题。
这就是所谓的时间增益控制。
但电路复杂。
为了以一个简单的电路解决这个问题,而不是放大因素,阈值水平应随时间变化。
系统B增加衡量的范围,减少测量误差,并以一个简单的电路提高测量性能。
图4 B系统信号的概念图5 A系统获取的信号举例图5显示了由A系统获得的回声信号的例子。
左边是一个直接波,右边是一个回音。
在这种情况下,如果忽视了直接波,这时附近返回回声的物体则无法测量。
此外,由于超声波缓慢上升造成测量误差。
图6显示了由B系统获得的回声信号的例子。
其表明直接波缩短,以及超声波上升时间也缩短。
图7显示了B系统中的放大接收信号和阈值水平。
接收波在4V左右达到饱和。
直接波通过起初设置高的阈值水平被忽略。
在此之后,阈值水平随时间递减。
图6 B系统获取的信号举例图7 B系统中放大的接收信号及极限值举例Ⅲ障碍物检测为了检测前面提到的两个超声波测距系统障碍物检测的实用性,我们测量了一个反射物体宽度的最大量测距离。
传统的系统连接到角,以增加回波强度。
我们测量的最大范围,而这些数据可以检测对象与实际距离误差。
实验设置如图8,实验结果如图9所示。
在图9,系统A的结果在图形下方,系统B在图形上方。
实线表示测量值,虚线表示的到物体的实际距离。
如图所示在A和B 两个系统中,如果反射物体的宽度小于10厘米其可测量的距离锐减。
不过,这个数字表明,系统B在不使用喇叭时可以比系统A测量得更远,而且系统B与实际物体的误差比A小。
我们得出结论可靠性和测量性能的改善B系统实现。
在许多情况下,超声波传感器连接到一个喇叭,以增加换能器视线内波的强度,所以方向性变窄。
窄指向性是为了更好地知道确切存在障碍的方向。
然而,只有障碍物垂直于换能器的视线内,其才可以被检测到。
了解障碍物存在与否及有多远对于移动机器人的障碍物检测很重要。
因此,如图10所示宽指向性对于障碍物检测也很需要。
带有喇叭的系统B较系统A可以获得较多的敏感性,因此,在下一节验证系统B的指向性可以较宽,并提供更适合的障碍检测。
图8 反射物体宽度的最大量测距离实验设置图9 反射物体宽度的最大量测距离实验结果图10 障碍物检测的超声波测距方向性Ⅳ声纳地图理解我们调查了使用两个超声波测距系统制作的环境地图。
该地图的制作方法是为将一定范围的数据沿传感器放置在一个方向测量范围内。
其有围墙和直角弯道(凸,凹)。
A系统使用了一个喇叭,以增加其强度。
每个系统都安装在我们的移动机器人“YAMABICO”上[5](图11),以及该系统的旋转方向是由机器人改变。
实验环境如图12,系统A和B的实验结果分别显示在图13和14中。
这些传感器被放在原点(0,0)。
图11系统B安装在移动机器人“YAMABICO”上。
右侧是一个方向的发送和接收电路(70毫米*60毫米),左边是为4个发送和接收电路供电的高电压电路(70毫米*72毫米)。
传感器直接连接到电路板,没有喇叭。
图12实验环境。
传感器被置于0点图13表明系统A只可以检测到传感器视线内到墙的垂直回声。
因为此系统中回声信号的强度很低,而且当回声从传感器反射回来时,其信号幅度无法超过其极限值。
作为一个结果,看来这个系统有一个狭窄的方向性。
另外,当传感器的线路和围墙的法线方向角变大时,回波强度变小。
然后,后来的回声振幅超过一个阈值水平。
因此,该区域的数据显示在圆与墙的接触弧上,其中心在墙外。
与上述相比,图14表明,系统B可以检测在每一个方向的回声,由于在这个系统中的回波信号的强度足够大。
从这个图形可以看到,该系统B指向性宽,由于距离数据躺在一个传感器与圆的弧线上且其中心在传感器上。
因此,当一个机器人移动,障碍是可以检测到的,即使他们没有垂直面对到换能器的视线。
因此,系统B可以改善检测障碍物的能力。
Ⅴ结论从上述结果可以得到以下结论:●障碍物检测的性能随着不同传感器系统变化。
●传感器的指向性不仅取决于换能器得方向性,而且取决于传感器的敏感性。
●由此得到的声纳地图形状急剧变化,根据传感器的特点,如灵敏度,方向性等。
●声纳地图的认识应当做到细心,因为声纳地图形状可能在很大程度上与真实的环境不符合。
如果机器人感知能力与人类几乎无异,我们可以信任机器人。
不幸的是,几乎大多数的电流传感器并没有那么聪明,而且能力是有限的。
因此,我们必须小心处理机器人的存在。
图13 系统A 的合成声纳地图图14 系统B 的合成声纳地图Obstacle Detectability of Ultrasonic Ranging Systemand Sonar Map UnderstandingAbstractInformation obtained by the ultrasonic sensor is influenced by the characteristics of the sensing system such as sensitivity, directivity and so on. In order to investigate its influence, we constructed two ultrasonic ranging systems of which characteristics differs from each other and examined their performance such as obstacle detectability and resultant sonar map. Keywords: Ultrasonic Sensing, Obstacle Detection, Sonar MapI. IntroductionFor mobile robots, functions which recognize environments are required to find unpredictable obstacles and paths through which the robot can pass, whether having an environmental map or not. As for range sensors, which can measure a distance to objects, ultrasonic sensor is more commonly used with mobile robots because it is small, inexpensive and easy to calculate distances.Present ultrasonic sensor systems generally calculate distance using thetime-of-flight (TOF) method. The distance l to a reflected object is calculated by l =c t/2;(1) where c is the speed of sound, and t is the round-trip time-of-flight (Fig. 1). The TOF method produces a range value when the echo amplitude first exceeds the threshold level after transmitting. In spite of the simple method like this, information obtained by the ultrasonic sensor is influenced by the characteristics of the sensing system, it of environment and so on.In this paper, in order to investigate the influence of the sensor system, we constructed two ultrasonic ranging systems of which characteristics differs from each other and examined their performance such as obstacle detectability and resultant sonar map.In section II, we introduce two ultrasonic ranging systems which we developed. Their availability for obstacle detection is examined in section III, sonar map making using them in section IV. Finally, the conclusions are presented in section V.Fig. 1. The principles of the time-of-flight (TOF) methodII. Two Ultrasonic Ranging SystemsFig. 2 shows a model of reflected waves, where there are two objects in a field of view. As an ultrasonic wave attenuates and spreads, the echo amplitude reflected off farther object is smaller (even from the same object[2]). Because we use piezoelectric ultrasonic sensors, we use a transmitter and a receiver separately. So, the received waves include the direct wave from the transmitter which must be neglected.We have developed a ultrasonic range finding system A in which the following fundamental method is employed[4][3]. Ultrasonic waves are discharged from a transmitter given comparatively long burst waves in order to vibrate its piezoelectricvibrator fully. A range value is calculated by TOF method using the amplified echo and a threshold level. The threshold level to detect echoes is constant in order to simplify the circuit. The concept of each signal for System A is shown in Fig. 3. However, this system has some problems. First, the rise of echo signal is slow, since the intensity of the echo signal is not so large. So measuring errors result. To reduce such measuring errors, the rise of ultrasonic waves must be quickened. Next, the measuring range is limited by a fixed threshold level. It is impossible to detect far distance objects when the level is set higher, or it is likely to detect noise from near distance objects when the level is set lower. Also, horns are attached to System A to increase the intensity of waves. However, it makes the directivity narrow.Fig. 2. A model of reflected waves.To solve the problems of System A, we improved the transmit and receive circuit, and developed a new ultrasonic sensor system B. The concept of each signal for System B is shown in Fig. 4. In order to enlarge the intensity of echo signal and quicken the rise of it, a high voltage single pulse is employed for transmitting. The peak voltage is about 720V, while it is about 12V in System A. This method has the following benefits. First, themasking time can be shortened by shortening the transmitting time. Thus it is possible to measure near distances. Second, the rise time of transmitting waves is shortened byusing a high voltage for discharging ultrasonic pulses. Therefore the measuring errors can be reduced. For receiving, the threshold level is decreased with time, and is gradually adjusted to the echo amplitude decreasing with the distance. We call this method timethreshold-control. This method is robust to noises from close objects, and makes it possible to measure far distance object. The Polaroid ultrasonic range sensor[1] solves this problem by changing the amplification factor with time. This is calledtime-gain-control. But the circuit is complicated. To solve this problem with a simplecircuit, not the amplification factor but the threshold level should be varied with time. System B realizes increases in the measurable range, decreases measuring errors, and increases measuring performance with a simple circuit.Fig. 5 shows an example of echo signal obtained by System A. The left one is a direct wave, and the right is an echo. In this case, if ignoring the direct wave, it was impossible to measure near objects whose echo returns in this time. Also, measuring errors resulted because of slow rise of ultrasonic wave. Fig. 6 shows an example of echo signal obtained by System B. It shows that the direct wave is shortened, and the rise time of ultrasonic waves is also shortened. Fig. 7 shows the amplified received signal and the threshold level in System B. The received waves are saturated around 4V. The direct wave is ignored by making threshold level high at first. After that, the threshold level is decreased with time.Fig. 3. The concept of each signal for System A.Fig. 4. The concept of each signal for System B.Fig. 5. An example of echo signal obtained by System A.Fig. 6. An example of echo signal obtained by System B.Fig. 7. An example of the amplified received signal and the threshold level in System BIII. Obstacle DetectabilityTo examine the availability for obstacle detection of two ultrasonic ranging systems mentioned in previous section, we measured the relation of the maximum measurable distance to the width of a reflected object. The conventional system is attached to a horn to increase the intensity of echoes. We measured the maximum range data to the object which can be detected, and errors to the real distance. The experimental set-up is shown in Fig. 8, and the experimental results are shown in Fig. 9. In Fig. 9, the result of System A is below the graph, and System B is above. Solid lines mean the measured value, anddotted lines mean the real distance to the object. As shown in this figure, in both System A and B, the maximum measurable distances decrease steeply if the width of the reflected object is smaller than 10cm. However, this figure indicates that System B can measure farther distances than System A, without using horn in System B. Also the errors of System B to the real distance are smaller than that of System A, we conclude the reliability and the measuring performance are improved with System B.Fig. 8. Experimental set-up for the measurement of the relation of the maximum measurable distance to the width of a reflected object.Fig. 9. The change of the maximum measurable distance to the width of a reflected object. Fig. 10. The directivity of ultrasonic sensor for the obstacle detection. The obstacles cannot be detected by the narrow directivity.In many cases, ultrasonic sensors are attached to a horn to increase the intensity of waves on the transducer line-of-sight, so the directivity becomes narrow. A narrow directivity is better in order to know the exact direction which obstacles exist. However, only obstacles which face perpendicularly the transducers line-of-sight can be detected with a narrow directivity. It is important for mobile robots’ obstacle detection to know whether obstacles exist or not, and how far there are. So, a wide directivity is also required for obstacle detection as shown in Fig. 10. With System B, more sensitivity can be obtained without a horn than with System A. Therefore the directivity of System B can be wide as is verified in next section, and it is more available for obstacle detection.IV. Sonar Map UnderstandingWe investigate environment map making using two ultrasonic ranging systems. The method of making maps was for the range data to be placed along the transducer orientation at a measured range. There were flat walls and right-angle corners (convex and concave). System A used a horn to increase its intensity. Each system is mounted on our mobile robot “YAMABICO”[5] (Fig. 11), and the orientation of the system waschanged by rotating the robot. The experimental environment is shown in Fig. 12, the experimental results of System A and B are shown in Fig. 13 and 14, respectively. The sensors were put on the origin (0, 0).Fig. 11. System B mounted on our mobile robot “YAMABICO”. The ri ght side is a transmit and receive circuit for one direction (70mm £ 60mm), the left side is a high voltage power supplyfor 4 transmit and receive circuits (70mm £ 72mm). Transducers are attached to the board directly, without horns.As shown in Fig. 13, System A detected only echoes from which the transducerline-ofsight is perpendicular to the wall, because the intensity of echo signal is low in this system and the echo amplitude cannot exceed a threshold level when the echo is reflected out of transducer line-of-sight. As a result, it seems this system has a narrow directivity. Also, the intensity of echoes becomes smaller as the angle between the transducer line-of-sight and the normal direction of the wall becomes larger. Then, the echo amplitude exceeds later a threshold level. Consequently, the range data lay on the arc of a circle which was contact with the wall, and its center was out of walls.Fig. 12. Experimental environment. Sensors were put at the point 0.Compared with above, Fig. 14 indicates that System B could detect echoes in every direction, because the intensity of echo signal is large enough in this system. It can be seen from this figure that the directivity of System B is wide, since the range data lay on the arc of a circle with center at the sensor. Therefore, when a robot moves, obstacles can be detected even if they have no perpendicular faces to transducer line-ofsight.Consequently, the ability to detect obstacles is improved in System B.V. ConclusionIt is concluded from the above-mentioned results that:² Obstacle detectability varys with the individual sensor system.² The directivity of the sensor depends on not only directivity of the transducer but sensitivity of sensor.² The shape of the resultant sonar map changes drastically according to the characteristics of the sensor such as sensitivity, directivity and so on.² Understanding of the sonar map should be done with carefulness, because the shape of sonar map may be largely different form the real shape of the environment.If the sensing ability of robot is nearly equal to it of human, we can trust the robot. Unfortunately, almost current sensors are not so intelligent and the ability is limited. So, we must be careful in the presence of the robot.References[1] Polaroid Corp., Cambridge, Massachusetts 02139, Ultrasonic Ranging System.[2] P.J. McKerrow and J.C.T. Hallam: “An Introduction to the Physics of Echolocation,”Proceedings of the Third National Conference on Robotics of the Australian Robot Association, pp.198–209, Melbourne, June 1990.[3] Yoshiaki Nagashima and Shin’ich Yuta: “Ultrasonic Sensing for a Mobile Robot to Recognize an Environment –Measuring the Normal Direction of Walls–,” Proceedings of the 1992 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,pp.805–812, Raleigh, NC, July 1992.[4] Minho Song and Shin’ichi Yuta: “Autonomous Mobile Robot Yamabico and Its Ultrasonic Range Finding Module,” ’89 Korean Automatic Control Conference, Vol.2, pp.711–714, Seoul, October 1989.[5] Shin’ichi Yuta, Sho’ji Suzuki and Shigeki Iida: “Implementation of a Small Size Experimental Self-contained Autonomous Robot –Sensors, Vehicle Control and Description of Sensor Based Behavior–,” R. Chatila et al. Eds, Experimental Robotics II(The 2nd International Symposium on Experimental Robotics, Toulouse, June 1991), Springar-Verlag, pp.344–359, 1993.Fig. 13. Resultant sonar map for System A.Fig. 14. Resultant sonar map for System B.。