基于超声波测距的跟随小车设计

王欣++徐智++陶凤++袁春纬

摘要：设计是以AT89C52单片机为主控制器，然后再结合超声波测距的原理，实现智能小车的实时跟随控制。超声波的发射模块由单片机来控制时序，然后往四周发散从而寻找需要定位的节点并且会通过超声波信号与射频信号间的时间差计算发射点与需要定位节点间的距离。为了提高系统的精确度，还设计了温度补偿电路。智能小车是以AT89C52单片机为核心，通过无线通信来接收超声波测距系统发送来的控制信号实现跟随。

关键词：超声波；测距；小车设计；测量技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）17-0246-02

近几年电子测量技术逐步发展，现在已经能够成功地运用超声波来精确测量距离。超声波测距不会受到被测量对象以及所在空间的光线影响。超声波检测还可以对各类液体装置的位置距离和里面的材料位置高度进行比较，从而设定它们之间的距离差值并且直接显示。因此，在现如今科技飞速发展的时代，我们可以把超声波测距系统更广泛具体的用在汽车的行驶与防撞上。基于此方面，设计在超声波测距的基础上加了跟随小车。

1系统原理及硬件介绍

系统实现了基于AT89C52单片机的小车智能跟随功能。为此，设计了超声波测距模块、定位模块以及无线电通信实时控制跟随。这套系统采用硬件电路设计和软件设计相结合的方式，具有模块化和多用化等特点。除此之外，用超声波检测更容易实现同步及时的控制，因为它方便又迅速并且计算起来还简单，所以其能够达到工业实用对测量精准度的要求。

1.1系统原理

在智能小车上装两个超声波发射探头，人身上再带着一个接收探头。通过测距算法算出距离。当超过一定距离时，小车收到报警跟上人的步伐前进，实现跟随。

超声波测距工作流程框图如下图1所示：

1.2硬件设计

硬件系统主要有超声波数据采集模块、小车驱动模块、主控器和报警模块组成。系统硬件部分的整体框图2如下所示：

小车的运动控制由电机驱动模块以及单片机最小系统组成。智能小车以AT89C52为核心，经过焊接相关芯片然后用电路板自制而成。它通过无线通信接收测距系统发送来的控制信号，再输出信号到L293D，从而驱动直流电机控制其行驶。小车驱动电路采用的是基于双极型H桥型脉宽调制方式（PWM）的集成电路L298N，它的内部有两个高电压、大电流桥式驱动器。

系统采用的是HC-SR04超声波测距模块。该模块可以提供2cm-400cm的非接触式的距离感测功能，测距精确度可以达到3mm【1】。HC-SR04超声波测距模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

超声波发射模块原理图如下图3：

超声波接收模块输出信号原理图如下图4：

测距系统是采用IO口TRIG触发来检测距离。给至少10us的高电平信号输入，然后该模块会自动发送8个40kHz的方波，并且会自动检测是否有信号返回。若有信号返回，那么会通过IO口ECHO输出一个高电平，则高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。则测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。【2】

2主要技术

2.1超声波测距技术

超声波在空气中的传播速度大约是340m/s，根据计时器记录的时间t，便可计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。

上式中：H表示超声波两个探头之间中心距离的二分之一。

而超声波的传播距离为：

上式中：v表示超声波在空气中的传播速度；

t表示超声波从发射到接收所需要的时间。

把式（2）、（3）代入式（1）中便可以得到：

中，超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数，如果当被测量的距离L远远大于H时，则（4）变为：

因此，只要测量出超声波的传播时间t，就可以计算出所要测量的距离L【3】。

为了保证测量距离的准确度，需要设计一个温度补偿电路。空气中声速与温度的关系可以表示为【4】：

v=331.4×

式中，T为环境摄氏温度℃。

该温度补偿电路系统采用了National Semiconductor所产生的温度感测器LM35。其输出电压与摄氏温标呈线性关系，即0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。

2.2定位技术

定位节点由超声波模块、无线通信模块、微处理器模块、电源模块部分组成。超声波发射器通过单片机控制时序，然后向四周扩散信号来搜索需要定位的节点。超声波发射的射频信号的传输时间是可以忽略不计的，因为它的速率比超声波的速率要高很多。所以如果同时发送射频信号和超声波信号的话，需要定位的节点会先收到发送来的射频信号然后九年开启超声波的接收模块并同时启动定时器，再之后接收模块接收到超声波的同时停止定时器。由此，超声波发射器再通过测量超声波与射频信号之间所用的时间差，从而来计算发射点与需要定位的节点之间距离。

2.3跟随技术

通过超声波测距原理，再加上三角形定理，在智能小车上装两个超声波发射探头，人身上再带着一个接收探头。根据测距算法算出距离，当超过一定距离时，小车收到报警跟上人的步伐前进，实现跟随。

3系统测试与误差分析

3.1系统测试

设计主要是基于超声波测距来实现智能小车的跟随，所以可以观察不断改变人与小车的距离时小车反应所需要的时间。实验在20℃环境下进行，实验结果如下表所示：

3.2误差分析

3.2.1误差来源

引起小车不同距离下响应的时间不同的原因有很多，一般有以下三种主要的误差来源：

（1）超声波信号在传播的过程中会减弱；

（2）从收到声波到被检测出会存在一定滞后；

（3）启动计时和启动超声波发射之间存在一定的偏差。

3.2.2减少误差措施

针对出现的第一个问题，所采用的解决办法是用TL852电路进行声波检测。因为它可以变增益，利用单片机来根据时间去控制声波信号。至于第二个问题，可以采用设置多个探头的办法。关于启动计时和启动超声波发射之间存在偏差的问题，则可以用无线电作为反馈信号【5】。

4 结论

介绍了超声波测距原理及小车跟随原理，运用超声波传感器及无线通信实现了小车同步跟随。通过实验可见，小车反应灵敏，能与人保持约5米之内的距离同步跟随。设计的创新之处与所取得的主要成果是：具有多用化的特点。设计中的超声波测距模块能够应用于机器人的距离信息采集、汽车防撞测距等众多方面。因此具有很大的移植应用价值。

参考文献：

[1] 李缓媛，张强，黄敏捷，刘坤.基于超声波测距的车辆音量调节系统[J].实验室研究与探索，2013（7）.

[2] 赖林弟，胡海燕，胡克满.智能挡车器控制系统的设计[J].软件导刊，2012（4）.

[3] 兰羽，周茜.超声波测距系统接收电路研究[J].电子设计工程，2012（7）.

[4] 刘金鹏，郭国，陈静，张福安，李丽欣，刘安平.电缆下方作业车防触电测距报警系统[J].电子制作，2010（9）.

[5] 蔡磊，周亭亭，郭云鹏，陈素芳，吴汉帮.基于超声波定位的智能跟随小车[J].电子测量技术，2013（11）.