基于红外超声光电编码器的室内挪动小车定位系统.docx

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1、基于红外超声光电编码器的室内挪动小车定位系统基于红外超声光电编码器的室内挪动小车定位系统wangtao导语：传感器|红外超声光电编码器|室内挪动小车|定位系统目前，使用超声波技术进展空间测量和定位已相当普遍。有的运用超声波的反射特性，有的综合运用红外和超声波传感器采取三边测距的定位方法，前者因为超声波传输介质的影响使测量精度无法进步，超声波衰减特性使其传播的间隔有限，再利用反射特性更加缩短了传播的间隔。后者固然精度有所进步，测量的间隔增加了，但是出现了测量盲区的问题，待测目的在某些位置不能同时检测到3个以上的超声波信号时，使系统无法定位。本文在第2种方法的根底上在系统中参加了光电编码器测距定位

2、原理，消除其定位盲区的问题。1定位原理1.1红外超声三边测距定位原理首先在室内建立一直角坐标系，规定好原点、X轴、Y轴、和Z轴。在室内上空固定位置设立3个参考点A、B、C，坐标分别为x1，y1，z1、x2，y2，z2、x3，y3，z3。使用红外超声系统测出目的点到3个参考点的间隔L、M、N为：由式1式3解出目的点的坐标值x，y，z。这就是红外超声的定位原理，简单且容易编程实现。下面讲明目的点与参考点间间隔的测量原理。光速与超声波速度在量级上的极大差值是实现测距功能的根底。测距原理见图1。超声波和红外光的传播速度为常量，其传播间隔与时间的曲线均为直线，直线斜率即波速，易知曲线为红外光曲线，曲线为

3、超声波曲线。指定间隔D，设红外光与超声波在0时刻同时从某一参考点出发，红外光经t1时间走完指定间隔，超声波经t2时间走完指定间隔，那么D=vt2，式中v为超声波速。令t=t2-t1，可得D=vt+t1。已知红外光速为3108ms，超声波在空气中速度为3.4102ms，在室内这样的间隔范围，近似认为t1=0，得到D=vt。系统在每个参考点安装单片机控制的红外和超声波发射管，在目的点安装红外和超声波接收管，同样连接单片机。某一时刻参考点发射红外和超声信号，目的点在接收到红外信号时启动单片机的内部计数器、在接收到超声信号时停顿计数器，这样二者的时间差t被记录下来，将t与超声波速相乘就得到待测间隔D。

4、实际上，信号处理总是有延时的，由此带来的测量误差必须补偿，最终得到算式为：d=vt+n。式中：d为间隔测量值；v为超声波速；t为单片机记录的红外光和超声披到达目的点的时间差值；n为系统器件延迟误差补偿项。1.2光电编码器测距定位原理光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或者数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通假设干个长方形孔。由于光电码盘称为译码轮，见图2与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出假设干脉冲信号。发光二极管和光敏传感器组成光电耦合

5、器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有2个光敏晶体管A和B。由于译码轮有间隙，故当译码轮转动时，红外发光二极管发出的红外线时而照在光敏传感器上，时而被阻断，进而使光敏传感器输出脉冲信号。光敏晶体管A和B被安放的位置使得其光照和阻断的时间有差异，进而产生的脉冲A和脉冲B有一定的相位差。利用这种方法，就能测出码盘滚轴滚动方向。滚轴每转动一个小角度，车轮位置计数器加1，每隔一定时间，单片机把车轮位置计数器的值读出，通过计算得出车轮挪动的位移当小车转弯时为弧线长度和弧线切线方向，再把位移信息发送给上位机。基于以上原理，在同轴二轮驱动小车同轴二轮驱动小车的2个轮子的运行轨迹总是平行的的2个驱动轮子的正上方一

6、定高度的a、b这2点安装红外超声定位单元，绝对定位每个点的坐标。在2个轮子各自轴上安装光电编码器测距单元，用来测量2个定位时刻点间轮子挪动的间隔和前进倒退情况。对挪动小车的定位分为3种情况：a在某一定位时刻a、b这2点可以同时检测到3个参考点的信号地面是平的，进展平面二维定位时只需2个信号，就用红外超声绝对定位方法计算挪动小车的位置，计算出它们中点的位置即挪动小车的位置，并根据前一时刻a、b这2点的坐标、2个轮子间的固定间隔判断出轮子相对于所建坐标系的运行方向。ba、b中只有1点可以同时检测到3个参考点的信号，那么根据前一时刻a、b这2点的坐标、光电编码器测得2个轮子的挪动间隔长短比拟、2个轮

7、子间的同定间隔计算出挪动小车的位置和运行方向。ca、b这2点都不能同时检测到3个参考点的信号，那么根据前一时刻a、b这2点的坐标、2个轮子的固定间隔、光电编码器测得2个轮子的挪动间隔计算出小车的坐标和运行方向。下面给出第2种情况的求解方法，见图3。通过比拟光电编码器所测2个轮子的挪动间隔，可得出小车向挪动间隔短的轮子一侧转弯，已知红外超声测得的a、b、b点的坐标，2个轮子的间距d，线段aa和bb平行，ab和小车的运动方向垂直，根据几何知识可以求出a点的坐标和小车的挪动方向，其他情况亦然。2系统的硬件构造系统主要由超声波信标节点参考点、一个红外发射管、一个超声波发射头及各自的驱动电路和微控制器S

8、ST89E564RD以下简称564RD8位单片机组成。普通节点目的点由8个红外接收管、8个超声波接收头及各自的驱动电路和8个564RD组成红外超声接收单元，每一个红外接收和超声波接收为一对，用一个564RD控制，分成2组，每组4对，在每个轮子的上方一定高度间隔90与程度面成45夹角向上分布。因为测量的目的点是挪动物体，所以采用多通道同时接收的方法缩短每次测量所用的时间，进步定位精度。光电编码器测距单元由译码轮、光电偶合器和一片564RD组成。用1片564RD作为主控芯片，与8个超声波接收单元、2个光电编码器测距单元使用串口进展通信，主控制器渎取各个单元的测量数据，完成定位运算，同时起到同步各个

9、单元工作的作用。564RD的晶振都为40MHz。图4给出单个红外管和超声波发射电路，图5给出单个红外管超声波接收电路。超卢波的发射管为T40-16对应接收管为R40-16，中心频率为40kHz。红外发射管为SE303A对应接收管为PH302，564RD用2个I/O口分别输出载频为40kHz、调频为5kHz的方波信号驱动红外发射管，和载频为40kHz、调频2kHz的方波信号驱动超声波发射管。3系统的软件设计系统上电后各单元进展初始化，各局部工作如下：a超声波信标节点不断向外发射红外和超声波信号，每个节点的红外与超声波信号编码相对应，并且与其他节点的信号编码不同。b普通节点每隔1s可以改变，但不能

10、太长，否那么小车出现拐弯时运行轨迹可能不平行进展一次定位，主控制器通过串口向各个单元发出定位信号并启动内部定时器，延时100ms后依次读取8个超声测距单元所测得的a、b这2点到参考点的间隔信息和2个光电编码器测距单元记录的位移信息，计算出挪动小车的位置和运行方向。定时器定时到1s后重复此经过。主控制器的软件流程如图6所示。c2个光电编码器测距单元初始化后立即开场记录轮子的位移，串口收到定位信号后，将记录的位移信息存到指定位置，等待主控制器读取，并从0开场继续记录位移情况。d普通节点检测到定位信号后，接收红外和超声波信号，记录一组相对应的红外超声信号的超声波传输时间，存到指定的位置，等待主控制器

11、读取。在串口接收到定位信号的开场100ms时间内有这样的信号，那么把第1次接收到对应的时间存人指定的位置就不再检测接收了，假如100ms时间内没有检测到相应的信号，就送数据0到指定的位置。4系统误差分析及实验测距结果定位误差主要有以下5方面：超声波器件的形状和安装位置造成坐标系参考点和待测目的点的位置偏向；系统电路器件延迟产生的误差；小车是不断运动的，由于超声波传输速度比拟慢，恳求定位时刻到定位完成，小车已经挪动了一定的间隔；在不能连续检测到足够参考点信号时，位置确实定依靠前一时刻的测量，会造成累计误差；温度条件对超声波的影响。图7给出了在室温20、超声波速度为340m/s、小车2个轮子间间隔为0.2m、挪动速度为0.2m/s、平面二维定位实验测量的一段轨迹，实验通过对前3个方面误差补偿计算，使定位精度到达3cm。5完毕语因为光电编码器测距定位依靠前一测量点的信息，必然导致定位误差的累积；而红外超声三边测距法是一种只依靠当前测量点信息的绝对位置定位方法。此系统综合了这2种方法，消除了累积误差，并解决了定位盲区的问题，对挪动小车有一个较准确的定位。