1 工作原理和系統(tǒng)組成
1.1 工作原理
以透射式紅外光電傳感器和超聲波測(cè)距裝置相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)平面區(qū)域內(nèi)物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊和紅外接收模塊" title="接收模塊">接收模塊組成，當(dāng)收發(fā)模塊之間有物體遮擋光路時(shí)，將改變接收模塊的接收狀態(tài)，據(jù)此可非接觸探測(cè)物體是否存在。
如果把多個(gè)發(fā)射模塊和多個(gè)接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發(fā)兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置上的紅外模塊一對(duì)一對(duì)地按順序輪流接通工作，對(duì)其間區(qū)域進(jìn)行逐行掃描探測(cè)，則依據(jù)掃描結(jié)果不但可判斷該區(qū)域是否有物體存在，還可計(jì)算出物體的長(zhǎng)度及其在該區(qū)域中的縱向相對(duì)位置。
超聲波測(cè)距通常采用渡越時(shí)間法，收發(fā)頭與被測(cè)物體之間的距離：
式中，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波的往返時(shí)間間隔。分別在物體兩側(cè)標(biāo)定位置安裝超聲波測(cè)距裝置，測(cè)出與物體的距離，就可計(jì)算出物體的寬度及其在該區(qū)域中的橫向相對(duì)位置。
1.2 系統(tǒng)組成
圖1為基于聲光探測(cè)的汽車定位系統(tǒng)的組成。
圖中單片機(jī)1、紅外發(fā)射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構(gòu)成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長(zhǎng)度和縱向停車位置的測(cè)量。單片機(jī)2和4個(gè)超聲波測(cè)距裝置構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)" title="測(cè)距系統(tǒng)">測(cè)距系統(tǒng)，用于車箱寬度和橫向停車位置的測(cè)量。
圖1 系統(tǒng)組成
其中紅外發(fā)射陣列和紅外接收陣列安裝于工作區(qū)域兩側(cè)車箱中部的高度，分別由N個(gè)發(fā)射模塊和N個(gè)接收模塊組成，它們均勻平行排列，收發(fā)一一對(duì)應(yīng)。4個(gè)超聲波測(cè)距裝置安裝在工作區(qū)域兩側(cè)，分成兩組，分別測(cè)量前部車箱和后部車箱。
主機(jī)對(duì)縱向檢測(cè)和橫向檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，判斷出工作區(qū)是否有車、哪種車型，并計(jì)算出汽車在區(qū)域中的停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。
2 紅外線電子移位逐行掃描電路設(shè)計(jì)和調(diào)試
2.1 電路設(shè)計(jì)
圖2為紅外線電子移位逐行掃描電路。圖中只畫出一對(duì)紅外發(fā)射和接收模塊的電路，并略去脈沖發(fā)生器電路。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生38 kHz的振蕩信號(hào)，經(jīng)過低頻脈沖調(diào)制后，送入發(fā)射模塊。紅外發(fā)射模塊的電子開關(guān)在控制信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通，把脈沖發(fā)生器送來的信號(hào)發(fā)射出去；紅外接收模塊的電子開關(guān)也在控制信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通，把紅外接收頭的接收狀態(tài)輸出，送至單片機(jī)1。電子移位電路由74LSl64串聯(lián)組成，有N個(gè)輸出端子，每一個(gè)輸出端子控制一個(gè)紅外模塊。開關(guān)信號(hào)是一個(gè)高電平脈沖，每個(gè)移位時(shí)鐘周期向前移動(dòng)一位。由于收發(fā)兩側(cè)移位時(shí)鐘同步，所以，收發(fā)兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置上的紅外模塊會(huì)一對(duì)一對(duì)地按順序輪流接通工作，由此達(dá)到電子移位逐行掃描的目的。
圖2
2.2 掃描速度和精度處理
掃描速度主要取決于移位時(shí)鐘的周期出，完成一次掃描的時(shí)間：
該電路中在△f≥2 ms時(shí)，具有良好的接收可靠性。單片機(jī)l通過程序控制，可使△t一2～10 ms，以滿足不同掃描速度的需要。紅外陣列中，相鄰模塊間距△Z就是縱向的最高定位精度。根據(jù)工作區(qū)域的縱向最大長(zhǎng)度L的要求確定紅外陣列中模塊數(shù)量N，要求N×A／=L。
由于紅外陣列由N個(gè)功能相同的紅外模塊串聯(lián)而成，所以在制作時(shí)，以5～10個(gè)模塊做成一個(gè)電路板組件，并采用插拔式安裝結(jié)構(gòu)，各個(gè)組件電路相同，可相互替換、任意串聯(lián)，既能滿足不同工作區(qū)長(zhǎng)度的要求，也可盡量減少現(xiàn)場(chǎng)更換故障模塊所需的時(shí)間。
現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，需要分段校準(zhǔn)，避免誤差累積。
2.3 掃描強(qiáng)度處理
在大霧或強(qiáng)降雨天氣，紅外線穿透能力下降，降低了紅外掃描" title="紅外掃描">紅外掃描的可靠性，通常以加大紅外發(fā)射功率來解決。為此，紅外掃描設(shè)置了普通、增強(qiáng)和超強(qiáng)三種掃描強(qiáng)度模式。普通模式的紅外掃描，紅外收發(fā)是“一對(duì)一”工作，同時(shí)只有1個(gè)紅外模塊發(fā)射，每次移動(dòng)1位；增強(qiáng)模式的紅外掃描，紅外收發(fā)變?yōu)?ldquo;一對(duì)二”工作，同時(shí)有2個(gè)相鄰紅外模塊發(fā)射，每次移動(dòng)1位；超強(qiáng)模式的紅外掃描，紅外收發(fā)變?yōu)?ldquo;一對(duì)三”工作，同時(shí)有3個(gè)相鄰紅外模塊發(fā)射。很顯然，后兩種模式的紅外發(fā)射功率分別是第一種模式的2倍和3倍。后兩種掃描模式的定位精度會(huì)有所降低，但最多不超過2△L。
2.4 紅外抗干擾處理
由于定位裝置在室外場(chǎng)地工作，在電路設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮對(duì)日光等背景紅外線的抗干擾措施。具體采取了3項(xiàng)措施：
（1）封閉接收頭。將接收頭置于帶窗口箱體中，避免日光對(duì)其直接照射。
?。?）動(dòng)態(tài)紅外線發(fā)射。日光等背景紅外線一般不會(huì)有巨烈波動(dòng)，因此，對(duì)紅外線進(jìn)行脈沖調(diào)制，以動(dòng)態(tài)紅外線發(fā)射效果較好。
?。?）選用抗干擾接收頭。電路采用了抗干擾能直射日光紅外線干擾中有效檢出紅外線信號(hào)。為達(dá)到SBXl6i0—02接收頭最佳工作點(diǎn)，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)頻率應(yīng)在（38±0.5）kHz之間。
2.5 大跨度電子移位電路開關(guān)信號(hào)丟失處理
電子移位電路通常由約100片74LSl64串聯(lián)組成，電路長(zhǎng)達(dá)數(shù)10 m，由于分布參數(shù)的影響，造成各片74LSl64的移位時(shí)鐘信號(hào)CLK的不同步，極易導(dǎo)致開關(guān)信號(hào)在移位過程中丟失，使掃描“半途而廢”。為此，對(duì)各片74LSl64的移位時(shí)鐘信號(hào)CLK，應(yīng)采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，并保證各片74LSl64的時(shí)鐘信號(hào)處于同一個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)上，同時(shí)盡量減小電路阻抗，提高驅(qū)動(dòng)電路的功率。
3 測(cè)距系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和調(diào)試
圖3為測(cè)距系統(tǒng)電路。該電路由1個(gè)單片機(jī)和4組超聲波收發(fā)單元組成，圖中只畫出了一組超聲波收發(fā)單元。發(fā)射單元由40 kHz振蕩器和門電路構(gòu)成。門電路產(chǎn)生占空比很小的低頻脈沖信號(hào)，脈沖持續(xù)時(shí)間為160 its，脈沖間隔為30～50 ms（視需要調(diào)整）。此脈沖信號(hào)一路作為振蕩器的置位脈沖；另一路送給單片機(jī)，作為計(jì)時(shí)器的起始脈沖。在置位期間，振蕩器輸出經(jīng)調(diào)制的頻率為40 kHz的脈沖信號(hào)，由超聲波發(fā)射頭T40-16發(fā)射出去?；夭ǖ慕邮詹捎猛ㄓ玫腇PS409I紅外接收組件，只是需要把紅外接收管PH302換為超聲波接收頭R40—16，這樣在有效的測(cè)距范圍，可保證接收到的信號(hào)其輸出達(dá)到TTL電平。接收信號(hào)經(jīng)整形放大后送入單片機(jī)，作為計(jì)時(shí)器的停止脈沖。單片機(jī)計(jì)算起始脈沖至停止脈沖之間的時(shí)間t，按照式（1）求出距離s。
圖3 測(cè)距系統(tǒng)電路
測(cè)距系統(tǒng)采用了“一拖四”的結(jié)構(gòu)，為避免多組超聲波單元互相干擾，它們應(yīng)在單片機(jī)控制下輪流工作。該電路中脈沖間隔為30～50 ms，對(duì)應(yīng)測(cè)距范圍約為5～15 m，如果測(cè)距范圍加大，需要增大脈沖間隔。另外，該測(cè)距電路存在約30 cm的測(cè)距盲區(qū)，測(cè)距裝置與測(cè)量對(duì)象間要保持30 cm以上的距離，同時(shí)單片機(jī)對(duì)起停脈沖計(jì)時(shí)時(shí)，也要避開盲區(qū)內(nèi)虛假停止脈沖的干擾。
4 控制軟件設(shè)計(jì)
控制軟件包括主機(jī)軟件和單片機(jī)軟件，主要軟件流程如圖4所示。單片機(jī)1產(chǎn)生紅外線電子移位逐行掃描電路所需的開關(guān)信號(hào)和移位時(shí)鐘，并在每個(gè)移位時(shí)鐘周期采集一次接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成一遍掃描后把數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)；還可根據(jù)主機(jī)指令，通過程序控制改變掃描速度和掃描強(qiáng)度。單片機(jī)2分別控制檢測(cè)4個(gè)超聲波裝置，所計(jì)時(shí)間經(jīng)簡(jiǎn)單處理后上傳給主機(jī)。由于存在盲區(qū)，要避開此區(qū)間過來的虛假停止脈沖的干擾，采用延時(shí)開中斷，即在起始脈沖啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)后，等待盲區(qū)過去再開中斷，使單片機(jī)中斷口接收到實(shí)際有效停止脈沖停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。主機(jī)程序以主動(dòng)查詢方式輪流從兩個(gè)單片機(jī)讀取縱向檢測(cè)數(shù)據(jù)和橫向檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后依照一定算法，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，先判斷是否有車，有車時(shí)判斷車型、計(jì)算停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。
主機(jī)軟件采用Delphi編寫，能進(jìn)行測(cè)量參數(shù)顯示和工作參數(shù)設(shè)置。
圖4 主要軟件流程
5 測(cè)試與結(jié)果
測(cè)試在室外工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。工作區(qū)為5 m×21 ITI，紅外模塊的間距為5 cm，紅外收發(fā)陣列的模塊數(shù)均為425。連續(xù)對(duì)100輛汽車進(jìn)行定位，包括多種車型，都定位成功。在白天和夜間各抽取5輛汽車的定位數(shù)據(jù)與實(shí)物數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，結(jié)果如表1所示。車箱長(zhǎng)度和前距測(cè)量誤差不超過5 cm，車箱寬度和邊距測(cè)量誤差不超過6 cln，單次定位時(shí)間最快可達(dá)1 s內(nèi)。
6 結(jié)語
結(jié)果表明，采用聲光探測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)物體的非接觸定位?；诼暪馓綔y(cè)的汽車定位系統(tǒng)，不論是定位速度、定位精度還是定位可靠性，都較當(dāng)前的其他定位方式有明顯的提高。目前該系統(tǒng)已被用于汽車物料自動(dòng)取樣控制系統(tǒng)中，在多個(gè)鋼鐵電力企業(yè)得到應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。