越野自主车的远距离超声测障系统

崔慧海，李焱，周歆

（1.国防科技大学机电与自动化学院，湖南长沙410073；2.宁波电业局计量中心浙江宁波315040）

在地面自主车辆（ALV）的研究中，障碍检测传感器是ALV导航与控制系统的重要组成部分。目前，在自主车上使用的测障传感器主要有激光雷达、CCD双目视觉、超声波传感器，以及红外传感器。相比其它类型的传感器，超声测障传感器具有价格低廉、可以全天候工作，以及不受光照、电磁、烟雾和粉尘等因素的干扰等优点。自主车辆在野外环境行驶过程中，要求测障传感器具备探测10～20 m范围的能力，然而现有车载超声传感器一般作用距离只有几米，而且波束角较大、空间分辨率低，难以满足远距离测障的要求。因此，研制远距离超声测障系统，对于提高自主车在野外环境的环境感知能力具有重要的意义。国内在面向地面自主车辆的远距离超声测障传感器的研究方面虽然已取得了初步的成果[1-3]，但还没有形成能与自主车控制系统集成的超声测障系统。

笔者设计并实现了由超声传感器阵列构成的远距离超声测障系统，重点对该系统中的远距离超声传感器设计、基于车载CAN总线的通信模块设计及上位机软件进行介绍。

1 远距离超声传感器设计

1.1 超声换能器

本系统中使用的超声换能器由纵向振动换能器、半波长锥形变幅杆和矩形弯曲振动盘组成，工作频率为23 kHz。

选用高指向性的超声传感器虽然提高了空间分辨率，但却不能覆盖车辆前方整个路面，探测范围较小。为解决上述问题，需将超声传感器组成阵列，在提高空间分辨率的同时提高探测覆盖率。

1.2 时变增益电路

超声测障传感器设计的关键技术之一是超声波回波接收电路，接收电路既要将远距离微弱的回波信号充分放大，又要减少死区距离、避免振荡和降低噪声。随着探测距离变长，超声波回波信号快速衰减，相同障碍物对应的回波信号幅值会形成显著的差异。为克服固定增益放大电路在远距离超声测障应用中面临的困难，该系统基于TL026控制芯片，设计并实现了远距离超声传感器的时变增益控制电路。

野外环境实验数据表明，超声测障传感器的探测距离达到20 m，波束角为±7°。

该系统远距离超声传感器的时变增益电路采用TL026作为超声的初级输入，由飞利浦公司的单片机P89LPC915调节增益控制电压如图1所示。P89LPC915包含1个8位、4路逐步逼近式模数转换模块（ADC1）和1个DAC模块（DAC1），在3.3 MHz的ADC时钟下，8位转换时间≥3.9 μs。单片机在2次探测周期之间对TL026的REF脚进行采样，确定增益控制基准电压，避免了由于温度变化造成基准电压的漂移。

图1 时变增益控制电路Fig.1 Time varying gain control circuit

如果直接使用D/A输出控制AGC脚电压，虽然该方法控制起来比较简单，但由于阶跃信号含有各种频谱，D/A输出的微小跳变引起的输出的跳变在后级的信号放大器中被放大，而且无法通过带通滤波器消除，这增加了后续处理电路的难度和误报率。笔者采用如下方法来解决上述问题：1）死区期间，单片机输出VDA，向C20迅速充电，使VC=VREF+200 mV，使增益接近于0，以衰减死区信号；2）死区结束时，VDA降为0 V，这时，电容通过R39和TL026的AGC脚放电；3）接收周期结束时，电容两端电压降为VC=VREF-200 mV达到最大增益。

2 通信模块设计

2.1 通信硬件电路设计

笔者采用高集成度微控制器与CAN控制器构造超声测障系统的通信模块硬件电路。每个超声传感器由微控制器89LPC915负责指令的解析、数据回传及发射控制；由CAN控制器MCP2515负责CAN通信数据的发送与接收。通信模块硬件框图和电路图分别如图2、图3所示。

图2 通信模块结构框图Fig.2 Structure diagram of communication module

图3 通信模块硬件电路图Fig.3 Hardware circuit diagram of communication module

其中，89LPC915是Philips公司生产的高集成度、低成本微控制器。MCP2515是MICRCHIP公司生产的带SPI（Serial Peripheral Interface）接口的独立CAN控制器。本系统中89LPC915作为主设备，提供SPI串行时钟，负责向MCP2515写入控制命令和待发送数据，MCP2515作为从设备，负责向89LPC915发送状态改变中断和接收到的数据。

2.2 通信软件设计

传感器与上位机的通信协议如表1、表2所示。

表1 传感器接收指令表Tab.1 Receiving instruction of sensor

表2 传感器发送指令表Tab.2 Sending instruction of sensor

传感器发送的数据每组为3个字节，用来记录渡越时间和回波大小。MCU根据接收到的回波数量动态地决定每帧发送1组还是2组数据。CAN通信参数设置为：波特率设置为500 K，只接收标准标报文。11位标准标识符的高8位用于传感器编号，3-11位分别对应1-8号超声传感器，这样上位机只要将标识符位置位，对应的传感器就能接收到指令，使上位机只要一条指令就能对多个传感器进行控制。程序整体框图如图4所示。

图4 系统流程图Fig.4 Work flow chart of system

上位机监测程序采用LabVIEW图形化编程语言编写。本系统通过调用动态链接库实现对CAN总线的控制和读写。CAN总线的设置程序如图5所示。

图5 LabVIEW程序框图Fig.5 Program block diagram of LabVIEW

3 实验结果

在野外环境下，我们对远距离超声传感器的时变增益电路的性能进行了测试。

实验结果表明，增加时变增益电路后（图6（b）），相比固定增益（图6（a）），近距离的超声回波信号幅度没有什么变化时，远距离的回波信号幅度和探测距离显著增加。未增加死区衰减（图6（c））时近距离的超声回波信号被超声头余振信号覆盖，死区距离较大，增加死区衰减和时变增益（图6（d））后，死区距离明显减少。图7为由3个超声传感器组成阵列的上位控制软件界面，其左侧为传感器获得的回波信号，右下方为阵列控制界面，右上方为通过算法获得的障碍物位置。

图6 超声回波信号Fig.6 Sonar data signal

图7 超声测障系统界面Fig.7 Sonar obstacle detection systeminterface

4 结束语

远距离超声测障系统实现了基于自主车控制系统CAN总线的远距离超声传感器阵列的控制和数据采集，具有较宽的探测范围与较高的测距精度，该超声测障系统对于提高越野环境下自主车的环境感知能力和可靠性具有重要作用。

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