无串扰超声测距系统硬件电路设计与建模

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1、摘要近年来，超声测距传感器被广泛用于移动机器人避障系统。与激光、红外线、无线电波和图像等避障传感器相比，超声传感器具有成本低、受环境影响小等优点。但是，超声传感器在移动机器人上的应用也遇到了困难，比较突出的问题是当多个超声换能器同时工作时存在的超声串扰现象。超声串扰严重地影响了机器人的测距精度，也阻碍了超声传感器在机器人上的应用。为解决超声串扰问题，一些学者提出了不同的解决方法，其中比较好的思路是基于硬件电路的相关匹配法。然而，实现这一思路的硬件电路尚不理想。本文在对传统超声测距系统深入分析及反复实验的基础上设计了集发射与接收于一体的硬件电路，并对超声发射与接收电路各组

2、成部分和主要器件的功能做了详细解释。此电路具有测量距离远、盲区短，测量信号失真小、精度高，动态范围大、接收信号稳定，成本低、适合推广等特点。采用自回归滑动平均(ARMA)模型及Prony参数估计方法建立了此超声测距电路的输入一输出传递函数，并通过实验验证了传递函数的准确性。此模型的建立可便于无串扰超声测距系统对脉冲编码和调制方式的选择，省去了繁琐的硬件验证，可满足理论研究和仿真的需要。关键词：移动机器人超声换能器串扰建模ABSTRACTRecently,ultrasonicrangingsensorshavebeenwidelyusedinmobilerobotobst

3、acleavoidancesystems。Comparedwithothersensorssuchaslaser,infrared，radiowaveandimage，ultrasonicsensorshaveadvantagesoflowcostandstrongadaptability．However,therearesomeproblemsintheapplicationofultrasonicsensorstorobots．inwhichthewell—knownoneiStheultrasoniccrosstalkphenomenoncausedbymulti

4、pleultrasonicrangingsensorsworkingtogether．Thecrosstalkdecreasesthemeasurementaccuracyofdistance，andpreventstheultrasonicsensorsfrombeingappliedinmobilerobots．Differentmethodshavebeenproposedbyresearchersinordertosolveultrasoniccrosstalk,inwhichthebetteroneisthehardwarecircuitbasedcorrel

5、ationmethod，butthecurrentcircuitsstillneedtobeimproved．Basedonthedeepanalysisofclassiccircuitsandlotsofexperiments，asetofultrasonicranginghardwaresystemwhichintegratesultrasonictransmittingandreceivingisdesigned，andthefunctionsofeverycomponentandmainchipsaredescribed．Thedesignedhardwares

6、ystemhascharacterssuchasfardetectingdistanceandshortblindarea，smalldistortionandhighaccuracy,largedynamicrangeandstableecho，lowcostandeasytospread．TheAuto-RegressiveMovingAverage(ARMA)modelandPronyparameterestimationmethodareusedtosetupthetransferfunctionoftheultrasonicrangesystem，andthe

7、correctnessofthetransferfunctionisverifiedthroughexperiments．Themathematicmodelofthedesignedcircuitscanfacilitatethechoiceofpulsecodingandmodulationmodeforthenon-crosstalkultrasonicrangingsystem，SOthecumbersomehardwareverificationcanbeavoided，whichmeetstheneedoftheoretics