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德國(guó)TURCK傳感器,原裝圖爾克傳感器
閱讀:462 發(fā)布時(shí)間:2012-11-2圖爾克傳感器的原理一般采用渡越時(shí)間法 tof(timeofflight)[2]。首先測(cè)出超聲波 從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間,再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與 障礙物之間的距離,即 1、硬件電路設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由德國(guó)TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,TURCK超聲波傳感器 安全避障是移動(dòng)機(jī)器人研究的一個(gè)基本問題。障礙物與機(jī)器人之間距離的獲得 是研究安全避障的前提,超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn) 等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用作測(cè)距傳感器。本超聲波測(cè)距系統(tǒng)選用了 。本文對(duì)此超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。超聲波傳感器及其測(cè)距原理 超聲波是指頻率高于 20khz 的機(jī)械波[1]。為了以超聲波作為檢測(cè)手段,必須產(chǎn) 生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上稱為超聲 波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個(gè)超聲波傳感器也 可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)[1]的原理將電能 和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波;而在收到 回波的時(shí)候,則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
TURCK超聲波傳感器經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與分析,我們認(rèn)為用 6500 系列距離模塊和 600 系列超聲波傳感器進(jìn)行距離的測(cè)量簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠,測(cè)得數(shù)據(jù)的誤差比較小 機(jī)器人上使用超聲波傳感器的原理德國(guó)TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,超聲波傳感器是用來測(cè)量物體的距離。首先,超聲波傳感器會(huì)發(fā)射一組高頻聲波, 一般為 40-45KHz,當(dāng)聲波遇到物體后,就會(huì)被反彈回,并被接受到。通過計(jì)算聲 波從發(fā)射到返回的時(shí)間,再乘以聲波在媒介中的傳播速度(344 米/秒,空氣中)。聲波反射 圖 2.a 中的情況叫做三角誤差,當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候,所探測(cè)的 距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。 比如,電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻, 輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音,機(jī)器人本身的抖動(dòng),甚至當(dāng)有多 個(gè)機(jī)器人的時(shí)候,其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波,這些都會(huì)引起傳感器接收 到錯(cuò)誤的信號(hào)。 這個(gè)問題可以通過對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決, 比如發(fā)射一組長(zhǎng)短不同的音波, 只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候,才進(jìn)行距離計(jì)算。
TURCK開關(guān)在選擇超聲波傳感器的時(shí)候,這個(gè)波形特性是必須要考 慮的。 超聲波的問題 超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡(jiǎn)單,也很方便,成本也很低。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。德國(guó)TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,圖 2.c 中的情況可以叫做多次反射。這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比 較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到,因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距 離值。 這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測(cè)多個(gè)超 聲波的返回值,用來篩選出正確的讀數(shù)。 噪音:雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為 40-45Khz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。既然換能器發(fā)出的聲波是瓣?duì)?那在考慮反射問題引起的誤差時(shí)為什麼只討論中軸上的波束的 反射情況,而不需要討論其他方向上的波束呢?像圖 2.a,在超聲瓣內(nèi)偏離中軸方向的波束可以更 早地反射回來,實(shí)際測(cè)量到的距離會(huì)更短吧? 但是目前的超聲波傳感 器都有一些缺點(diǎn),比如,反射問題,噪音,交叉問題。對(duì)于單個(gè)回聲的方式, 當(dāng) 驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù),所以zui終測(cè)得的時(shí)間 比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測(cè)量值與實(shí)際值的偏 差,我們采用zui小二乘法[4~5]對(duì)表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。TURCK超聲波傳感器但是實(shí)際上,超聲波的波束根據(jù)應(yīng) 用不同,有寬波束,和窄波束。寬波束(圖 1-b)的傳感器會(huì)檢測(cè)到任何在波束范 圍的物體,它可以檢測(cè)到物體的距離,但是確無法檢測(cè)到物體的方位,誤差zui高會(huì) 有 100 度左右,機(jī)器人將無法準(zhǔn)確的確定其避障的動(dòng)作。當(dāng)然,作為只要探測(cè)物體 有或者無的用途來說,寬波束的傳感器是比較理想的。
圖爾克傳感器特性聲波換能器就好比一個(gè)喇叭,能將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻聲波,或者將聲波轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)。TURCK超聲波傳感器(其實(shí)多數(shù)喇叭都可以當(dāng)作話筒用,不信大家可以去試一下,用喇叭代替麥 克風(fēng),也是可以的,只不過麥克風(fēng)將聲波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的能力比較強(qiáng)一點(diǎn)。所以, 更加靈敏一點(diǎn)。) 換能器在將電型號(hào)轉(zhuǎn)化成聲波的過程中,所產(chǎn)生的聲波并不是理想中的矩形,(圖 1-a),而是一個(gè)類似花瓣一樣形狀,參見(圖 1-b,c): 圖 1:聲波特性 值得一提的是,在實(shí)際應(yīng)用中,產(chǎn)生的波形應(yīng)該是三維的,類似柱狀體。 對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用來說,超聲波傳感器主要用來探測(cè)物體的距離以及相對(duì)于傳感器 的方位,以便可以進(jìn)行避障動(dòng)作。就是矩形,不但可以準(zhǔn)確的獲得物體的距 離值,也可以準(zhǔn)確的獲得方位值,就是正前方。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 由于受環(huán)境溫度、濕度的影響,超聲傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值總有一些偏差, 表 1 列出了本超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值: 表 1 超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值單位:cm 從表中的數(shù)據(jù)可以看出,測(cè)量值總是比實(shí)際值大出大約 7cm,經(jīng)過分析原因主 要有三個(gè)方面:*方面,超聲波傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響;第二方面, 指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大;第三方面,為了防止其他信號(hào) 的干擾,單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí),驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送 16 個(gè)脈沖串。結(jié)論 利用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距,其中主要的就是要保證在電路設(shè)計(jì)上一定要滿足 電路工作的可靠性、穩(wěn)定性。
TURCK超聲波傳感器這樣可以有效的避 免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。 交叉問題:交叉問題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的, 如圖 3 所示。圖二給出了幾個(gè)例 子。經(jīng)過擬合,我們得到下面的 方程y=1.0145x-9.3354(其中:y 為實(shí)際值,x 為測(cè)量值) 修正后本超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 2 所示: 表 2 修正后超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值單位: 從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出,系統(tǒng)的測(cè)量誤差在±2%以內(nèi),滿足我們的測(cè)量 要求。2.b 中的情況叫做鏡面反射,這個(gè)問題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。 在特定的角度下,發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去,因此無法產(chǎn)生回波,也 就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。 就可以獲得物體相對(duì)于傳感器的距離值了。 圖 3:交叉對(duì)話問題 超聲波 X 發(fā)出的聲波,經(jīng)過鏡面反射,被傳感器 Z 和 Y 獲得,這時(shí) Z 和 Y 會(huì)根據(jù) 這個(gè)信號(hào)來計(jì)算距離值,從而無法獲得正確的測(cè)量。 解決的方法可以通過對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽 自己的聲音。同理,窄波束可以相對(duì)寬波 束獲得更加的方位角。反射問題:如果被探測(cè)物體始終在合適的角度,那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不 幸的是,在實(shí)際使用中,很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。
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