超声波传感器测距实验平台设计与实验

超声波传感器测距实验平台设计与实验

邹

1．2

伟，李

2

丽，王

11

秀，翟长远，张

*

睿

1

（1．国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097；2．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）

摘

要：超声波传感器在农业环境的实际应用中，环境的多变会引起超声波传输误差，传感器自身的波束

角效应会引起测距误差，运动机械的振动也容易引起测量误差。针对超声波传感器在农业环境中的应用，

设计了超声波测距实验平台。根据超声波传感器的工作原理，研究了测量误差产生的原因．重点研究了被测面和传感器波束角大小引起的测量误差，比较了不同条件下误差的大小，并探讨了补偿误差的方法，为提高基于超声波传感器的探测系统的测量精度提供了理论依据。关键词：超声波传感器；波束角；误差补偿中图分类号：S126

文献标识码：A

文章编号：1000—9787（2011）10—0089—04

Designandtestofrangingtestplatformof

ultrasonicsensor*

yuan1，ZHANGRui1ZOUWei1．2，LIli2，WANGXiu1，ZHAIChang-（1．NationalEngineeringResearchCentreforInformationTechnologyinAgriculture，

Beijing100097，China；2．ChinaAgricultureUniversity，Beijing100083，China）

Abstract：Inviewoftheapplicationofultrasonicsensorintheagriculturalenvironment，thevariabilityofenvironmentwillcausethetransmissionerror，thesensorbeamangleeffectwillleadtomeasurementerror，inalotofmechanicalvibrationswillcausemeasurementerror．Arangingtestplatformisdesigned．addition，

Accordingtotheworkingprincipleofultrasonicsensors，thereasonwhichcausesmeasurementerrorisstudied．Themeasurementerrorscausedbythemeasuredsurfaceandthesensorbeamangleisfocusedon，thesizeoftheerrorunderdifferentconditionsiscomparedandthecompensationerrorofthemethodisdiscussed．Itprovidesatheoreticalbasisforimprovingthemeasurementprecisionofthedetectionsystembasedonultrasonicsensor．Keywords：ultrasonicsensor；beamangle；errorcompensation

引

言

觉传感，超声波传感器采集信息速度快，在不需要大量外界信息的条件下，拥有成本低、体积小、结构简单等无法比拟的优点。由于农业环境的复杂性，实际工作中的被测物体而超声波传感超声波传感器的测距很难达到标定的精度，

器测量的准确度和快速反应将直接影响到系统的良好运需要对超声波传感器测距展开系统的实验和研究。行，1

实验平台的设计

实验平台主要由精密滑台、步进电机、步进电机控制器、超声波传感器、支架、嵌入式控制系统，以及上位机等构系统结构示意图如图1。成，

精密滑台作为运动部分，它的滑块可沿着导轨移动。在实验中把支架的下端固定在滑台的滑块上，上端用来固定传感器，传感器就可以随着沿导轨移动。支架的上端可

超声波传感器是将交变的电信号转换成声音信号或者将外界声场中的声音信号转换为电信号的能量转换器件

［1］

，根据超声波传播的时间，获得距离信息。超声波被

［2，3］

广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域对环境精确探测的研究甚少避障，

［4，5］

。在国

超声波传感器多用于移动机器人的内外研究中和应用中，

。

在农业领域中，采用超声波传感器测距受到许多因素影响，测距的结果和实际往往有较大差距。农业中广泛采如拖拉机倒车用视觉传感和超声波传感器采集外界信息，时的测障或监控，喷药机的果树外形检测等

［6，7］

。视觉传

需要大量数据处理，一方面需要高性能的处理感器信息大，

器，还需要合理的算法，不然无法满足实际需求。相对于视

收稿日期：2011—01—19

*基金项目：国家“863”计划资助项目（2006AA10A308）；北京市果类蔬菜创新团队资助项目

［1123965802637474］。将数据进行拟合，可以得到三条拟合曲线，也是实验数据的对应转换线，如图2所示。后续每次实验测得的数字量经实验测得的数据以此为基准线，

过换算，就可以得到超声波传感器测得的距离值。

14001200

1000800600400200

y1=0.448%5x+241y2=0.401%8x+301y3=0.392%9x+425

y1

y2y3

5°

对应转换线

波束角为10°的传感器

8°

图1

Fig1

实验平台系统结构图

Frameofthetestplatformsystem

以调节传感器的高度，以避开传感器测量的盲区。控制系从而控制滑台的动作。步进统通过驱动器控制步进电机，

电机驱动器采用MMT—472，通过面板右侧的拨动开关可以调节驱动信号的细分，从而精确地控制步进电机平稳可靠的运行。

平台使用了美国Honeywell三种不同型号的超声波传感器：946—A4V—2D—2C0—175E，波束角为5°，传感器测量范波束角为8°，围为200～2000mm；943—F4Y—2D—1D0—180E，

941—C2V—2E—1C0，波束传感器测量范围为200～2000mm，

角为10°，传感器测量范围为200～1500mm。5°与8°的传感10°的传感器既可以输出电压信号，也可以输出电流信号，器输出模拟电压信号。

嵌入式控制系统主要采用单片机开发，其主要功能是接受上位机子令，控制滑台的运动，采集超声波传感器信息并上传信息。系统软件主要由两部分组成：一是运动控制部分，控制系统根据用户指定的步长，计算采样点的距离，发出对应动作的指令，输出相应的脉冲，并记录脉冲数，以确定传感器的位置；二是数据采集部分，控制滑块达到设定的采样点，经过一定的延时后，控制器产生数据采集中断，进入中断后，数据采集单元采集来自传感器的数据，然后将该采样点的位置信息和该点采集的数据一起上传给计算机。

控制滑台的运动和停止以及数据的记录功能等都在控制计算机上完成，采用C#编写上位机软件，实施监测和控制滑台的运动以及状态，并实时显示传感器所处的位置，并并保存到数据库。将传感器采集的数据实时显示，2

超声波传感器实验

距离/mm

5001000150020002500

数字量x

图2Fig2

超声波传感器基准线

Baselineofultrasonicsensors

2．2超声波斜面检测实验

本实验采用木板构造斜面，木板长117cm，宽21cm，厚

2cm。木板的一侧采用活页与地板相连，该侧相对于导轨但整个木板可以绕该点上下旋转，木板的的位置固定不变，

另一侧可以使用垫片依次抬高在该点的高度，从而改变斜面的坡度。

控制系统通过驱动器可以随时控制步进电机的启动、停止以及正反转，通过控制脉冲的频率来控制运行速度。步进电机驱动器设定驱动电流2．0A，设定细分数为1/16，使得控制精度为0．2mm，可以十分精确地带动传感器到达采样点的位置。

在实验中，考虑到超声波传感器的波束角效应，超声波传感器发出的一束超声波，呈现一个面，而不是一个点，没一有必要设定过密的采样点。设定采样点的间距为5cm，滑台运行有效区间为2m，对斜面的有效共400个采样点，的检测范围在1．5m以内。

在每次实验之前，先调节木板呈现一个角度，然后调节超声波传感器的位置，使得超声波 …… 此处隐藏：6642字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……