壓路機(jī)主動(dòng)防撞智能測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳步童，李勝永，朱志忠，侍俊光，呂承琪

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇南通226010）

壓路機(jī)是修建交通基礎(chǔ)設(shè)施的壓實(shí)機(jī)械，在周期性連續(xù)作業(yè)過(guò)程中，傷人和碰撞事故頻發(fā)。因此，加強(qiáng)其主動(dòng)防撞方面的智能化研究，優(yōu)化智能測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。通過(guò)在壓路機(jī)車體的前后方不同位置并列安裝多個(gè)超聲波傳感器，在RS485總線上掛載多個(gè)超聲波測(cè)距從站，從站將多路超聲波測(cè)距回路采集的信息進(jìn)行匯總，經(jīng)RS485總線傳輸給中間控制板進(jìn)行實(shí)時(shí)處理后送給壓路機(jī)中央控制系統(tǒng)，有效節(jié)省了中央控制系統(tǒng)的處理器資源，簡(jiǎn)化了中央控制系統(tǒng)的硬軟件。

1 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的最常見(jiàn)方法是渡越時(shí)間法。超聲波發(fā)射傳感器在控制模塊的作用下向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物后反射產(chǎn)生回波；超聲波接收傳感器接收反射回波，并將回波信號(hào)送回控制模塊；控制模塊通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射與接收之間的時(shí)間差Δt（渡越時(shí)間）和超聲波在空氣中的傳播速度c，計(jì)算出目標(biāo)障礙物的最近距離s和方位（s=cΔt/2，c一般取344 m/s），并由顯示電路顯示障礙物最近距離和方位［1-4］。

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由中間控制板、超聲波測(cè)距從站和其他RS485總線節(jié)點(diǎn)等組成，如圖1所示。圖中，超聲波測(cè)距從站包含多路傳感器，其他RS485總線節(jié)點(diǎn)包含溫度補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊和電源電路模塊等。中間控制板通過(guò)RS485總線與超聲波測(cè)距從站連接，超聲波測(cè)距從站通過(guò)安裝于壓路機(jī)車體前、后橫梁側(cè)面的多路超聲波傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量壓路機(jī)前、后方目標(biāo)障礙物的最近距離和方位信息。中間控制板按照設(shè)定的時(shí)間間隔獲取各從站信息，經(jīng)匯集處理后向中央控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)采用STC15W1K16S單片機(jī)作為中間控制板、超聲波從站及溫度補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊、電源電路模塊等部分的控制和處理核心，從而有效保證了數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 System overall design

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中間控制板設(shè)計(jì)

中間控制板位于中央控制系統(tǒng)與從站之間，接收中央控制系統(tǒng)的命令并向中央控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)；通過(guò)RS485總線向各超聲波測(cè)距從站及其他總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，并接收各超聲波測(cè)距從站及其他總線節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，硬件包含RS485模塊和通信模塊。中間控制板通過(guò)串口進(jìn)行協(xié)議通信，是超聲波測(cè)距從站和其他RS485總線節(jié)點(diǎn)信息匯總的主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)掛載測(cè)距從站個(gè)數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距回路的增減。

2.2 從站設(shè)計(jì)

前、后超聲波測(cè)距從站分別包含4組超聲波測(cè)距回路，每組超聲波測(cè)距回路由超聲波探頭、超聲波收發(fā)電路、雙四通道模擬多路復(fù)用/分解器4052、超聲波回波放大濾波電路、溫度補(bǔ)償電路、液晶顯示電路、電源電路、STC15W1K16S單片機(jī)和MAX485等組成。其中，溫度補(bǔ)償電路的環(huán)境溫度采用DS18B20檢測(cè)，液晶顯示電路選用LCD12864液晶顯示器進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容顯示。每組測(cè)距回路分別擁有回波的一級(jí)濾波放大電路和STC15W1K16S單片機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)I/O口，共享STC15W1K16S單片機(jī)控制內(nèi)核和MAX485通信模塊，超聲波測(cè)距從站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。前、后超聲波測(cè)距從站以STC15W1K16S單片機(jī)為控制核心，同時(shí)在4組超聲波測(cè)距回路的I/O口發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)MAX232和外圍輔助電路組成的振蕩回路向外發(fā)出4個(gè)40 kHz的脈沖，并同時(shí)選中4052通道，進(jìn)入發(fā)射電路激勵(lì)傳感器并向外發(fā)出超聲波，超聲波傳播過(guò)程中遇到目標(biāo)障礙物后產(chǎn)生反射回波，反射回波經(jīng)接收電路進(jìn)行信號(hào)處理后進(jìn)入4052，經(jīng)放大濾波電路處理后進(jìn)入STC15W1K16S單片機(jī)的ADC通道，計(jì)算獲得目標(biāo)障礙物的最近距離和方位，并保存?zhèn)鞲衅魉谕罚蒑AX485向中間控制板發(fā)送目標(biāo)障礙物的最近距離與方位信息［5］。

圖2 超聲波測(cè)距從站硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of ultrasonic ranging slave station

2.2.1 超聲波收發(fā)電路

STC15W1K16S單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)入4052通道，通過(guò)MAX232和外圍輔助電路組成的振蕩回路向外發(fā)出4個(gè)40 kHz的超聲波。超聲波傳播過(guò)程中遇到目標(biāo)障礙物后產(chǎn)生反射回波并返回，超聲波接收傳感器將接收到的反射回波送到TL074進(jìn)行信號(hào)放大處理，然后進(jìn)入4052相應(yīng)通道。超聲波收發(fā)電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路和接收電路Fig.3 Ultrasonic transmitting circuit and receiving circuit

2.2.2 超聲波放大濾波電路

超聲波接收傳感器接收的回波信號(hào)經(jīng)接收電路處理后信號(hào)較弱且存在干擾，由高通濾波電路、帶通濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾處理和放大，經(jīng)過(guò)濾處理和放大后的信號(hào)經(jīng)分壓電路進(jìn)入STC15W 1K16S單片機(jī)的ADC模塊。若ADC模塊檢測(cè)到的電壓值大于設(shè)定的電壓閾值，則判斷為回波信號(hào)并計(jì)時(shí)，據(jù)此得到超聲波的傳播時(shí)間，測(cè)得目標(biāo)障礙物的最近距離和方位。具體設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 超聲波放大濾波電路Fig.4 Ultrasonic amplifying and filtering circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 中間控制板軟件設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)向中間控制板發(fā)送命令，中間控制板向中央控制系統(tǒng)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，中間控制板利用RS485總線向各超聲波測(cè)距從站及其他總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，并接收各超聲波測(cè)距從站實(shí)時(shí)測(cè)得的目標(biāo)障礙物最近距離與方位信息及其他總線節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先對(duì)中間控制板進(jìn)行初始化，然后中間控制板向前、后從站及其他總線節(jié)點(diǎn)從站發(fā)送訪問(wèn)命令，若中間控制板收到前、后從站及其他總線節(jié)點(diǎn)從站的數(shù)據(jù)信息，則處理并保存接收到的數(shù)據(jù)信息；若前、后從站及其他總線節(jié)點(diǎn)從站未響應(yīng)，則再次發(fā)送命令，直至中間控制板收到前、后從站及其他總線節(jié)點(diǎn)從站數(shù)據(jù)，處理并保存所接收到的數(shù)據(jù)為止；當(dāng)前、后從站及其他總線節(jié)點(diǎn)從站訪問(wèn)結(jié)束后，等待中央控制系統(tǒng)的命令，當(dāng)中間控制板收到中央控制系統(tǒng)命令后則向其發(fā)送最終處理的數(shù)據(jù)，中間控制板流程如圖5所示［6］。

圖5 中間控制板流程Fig.5 Intermediate control board process

3.2 從站軟件設(shè)計(jì)

前、后超聲波測(cè)距從站的功能是利用分別安裝在壓路機(jī)前、后車架側(cè)面的8組超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，接收中間控制板的命令，并向中間控制板發(fā)送8組超聲波傳感器測(cè)得的目標(biāo)障礙物的最近距離和方位信息。前、后超聲波測(cè)距從站都有確定的地址，當(dāng)中間控制板向前、后超聲波測(cè)距從站發(fā)出命令時(shí)，地址匹配的從站向中間控制板發(fā)送目標(biāo)障礙物的最近距離和方位信息數(shù)據(jù)。每個(gè)從站主程序在系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，并打開(kāi)定時(shí)中斷，定時(shí)中斷在延時(shí)1.2 ms后調(diào)用回波處理子程序，判斷回波并計(jì)算探頭至目標(biāo)障礙物的最近距離和方位。當(dāng)從站接收到中間控制板的命令且地址匹配時(shí)，則向中間控制板發(fā)送實(shí)時(shí)精確數(shù)據(jù)，否則，本次循環(huán)結(jié)束［6-7］。超聲波從站軟件運(yùn)行流程如圖6所示。

圖6 從站軟件運(yùn)行流程Fig.6 Operation process of slave station software

4 通信協(xié)議及差錯(cuò)控制

系統(tǒng)以中間控制板為主站，前、后超聲波測(cè)距回路以及其他RS485總線節(jié)點(diǎn)為從站，主從站之間采用RS485協(xié)議進(jìn)行通信。主站以發(fā)送地址和指令的方式向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站以中斷方式接收數(shù)據(jù)，當(dāng)某個(gè)從站的地址與主站匹配時(shí)，從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。前、后從站發(fā)送的數(shù)據(jù)分別為前方、后方的4組探頭測(cè)得的目標(biāo)障礙物的最近距離和方位，且每組探頭均用兩個(gè)字節(jié)表示測(cè)得的目標(biāo)障礙物最近距離，需對(duì)前、后從站發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)控制，以確保數(shù)據(jù)傳送的正確性。為此，主站在向前、后超聲波測(cè)距從站發(fā)送問(wèn)詢命令時(shí)加入起始、結(jié)束標(biāo)記，且標(biāo)記不與從站應(yīng)答中的數(shù)據(jù)相同，避免其他從站將數(shù)據(jù)中的某一部分誤判為主站的問(wèn)詢命令；在從站發(fā)送的目標(biāo)障礙物最近距離值和方位數(shù)據(jù)中加入校驗(yàn)碼，避免主站接收的距離值和方位數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤；主站在向某一從站發(fā)出問(wèn)詢時(shí)，若未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到該從站的應(yīng)答，則認(rèn)為此次問(wèn)詢失敗，并重新發(fā)出問(wèn)詢，若3次發(fā)出的問(wèn)詢均失敗，則記錄問(wèn)詢失敗次數(shù)，并向下一從站發(fā)出問(wèn)詢。為防止主站發(fā)出第2次問(wèn)詢時(shí)收到從站第1次問(wèn)詢的應(yīng)答，在主站發(fā)送問(wèn)詢命令和從站發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)時(shí)分別加入問(wèn)詢次數(shù)，僅當(dāng)主從站問(wèn)詢次數(shù)相互匹配時(shí)，本次通信才成功［6-7］。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析

5.1 超聲波探頭布局

超聲波探頭波速角通常在30°左右，多組同時(shí)工作時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生干擾。為此，在每個(gè)超聲波探頭上增加一個(gè)號(hào)角以增強(qiáng)指向性，其測(cè)距范圍類似圖7（a）所示，在其近端和遠(yuǎn)端會(huì)產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)，使所測(cè)距離不可靠。將超聲波探頭以間隔布局的方式安裝在壓路機(jī)前后橫梁的側(cè)面，使相鄰兩組探頭的測(cè)距范圍交叉重疊，且探頭探測(cè)的遠(yuǎn)端極限距離隨布局間隔的變化而變化。設(shè)計(jì)得到的相鄰兩組超聲波探頭最優(yōu)間隔距離為40 cm，近端極限距離為30 cm，遠(yuǎn)端極限距離為120 cm，效果如圖7（b）所示。

圖7 超聲波探頭布局Fig.7 Ultrasonic probe layout

5.2 試驗(yàn)效果

以戴納派克CC522型鋼輪壓路機(jī)為載體，在其車架的前后橫梁側(cè)面分別安裝了4組超聲波探頭，以便探測(cè)到壓路機(jī)車體前、后的所有目標(biāo)障礙物，并做到無(wú)盲區(qū)。前、后超聲波測(cè)距從站分別包含4組回路，通過(guò)前后2個(gè)RS485總線從站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)這一功能。壓路機(jī)碾壓作業(yè)最高速度為0.9 m/s，探頭的測(cè)量周期為200 ms，則實(shí)際極端盲區(qū)極限為48 cm，保證在大于近端極限距離小于遠(yuǎn)端極限距離區(qū)域的目標(biāo)障礙物被探測(cè)到。

選取超聲波探頭到實(shí)驗(yàn)壁之間的水平距離為設(shè)定距離，由鋼卷尺測(cè)量測(cè)得：液晶顯示屏上顯示的距離為測(cè)量距離，系統(tǒng)水平測(cè)距驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示，最大相對(duì)誤差為1.666 6%，能夠滿足水平方向目標(biāo)障礙物的檢測(cè)；當(dāng)探頭安裝在距離地面約為60 cm時(shí)，可探測(cè)到40～80 cm高度的目標(biāo)障礙物。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)選取40 cm左右高的石墩，超聲波傳感器安裝在離地60 cm處，約在1.5 m處可以檢測(cè)到；對(duì)一定高度的人約在1.5 m處可以穩(wěn)定檢測(cè)到；對(duì)細(xì)鐵桿、鐵柵欄約在1.2 m處可以被檢測(cè)出來(lái)。同時(shí)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分辨率確定在cm級(jí)，選取量程為30～400 cm，以驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性，系統(tǒng)滿量程測(cè)試的結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在確定的量程內(nèi)，滿量程測(cè)距相對(duì)誤差僅為0.5%。

表1 系統(tǒng)水平測(cè)距數(shù)據(jù)Tab.1 System level ranging data

5.3 誤差分析

渡越時(shí)間是影響目標(biāo)障礙物最近距離和方位的重要因素，除采用速度較快控制器、運(yùn)行電路、增大接收回路放大倍數(shù)等硬件外，還應(yīng)考慮軟件執(zhí)行時(shí)間消耗誤差、激勵(lì)信號(hào)序列收發(fā)啟停計(jì)時(shí)間隔差、測(cè)距盲區(qū)計(jì)時(shí)間隔差等因素的影響和超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等因素影響。其中，環(huán)境溫度的變化對(duì)其影響最大。為此，系統(tǒng)中加入了溫度補(bǔ)償模塊，減小了系統(tǒng)超聲波波速值變化，使系統(tǒng)在各種環(huán)境溫度下實(shí)時(shí)精確測(cè)得超聲波在空氣中傳播速度，提高了超聲波波速測(cè)量精度。超聲波傳感器采用電壓閾值法檢測(cè)回波，由于超聲波在傳播過(guò)程中幅值是不斷衰減的，當(dāng)被測(cè)距離較小時(shí)，第1個(gè)回波脈沖到達(dá)時(shí)就被捕獲，誤差較小。當(dāng)被測(cè)距離較大時(shí)，可能在第4個(gè)或更靠后的回波脈沖才被捕獲，這樣就造成回波傳輸了一定的時(shí)間后才會(huì)被捕獲到，產(chǎn)生較大誤差。超聲波探頭易產(chǎn)生比鄰信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象，超聲波入射到目標(biāo)障礙物處存在一定的入射角，且經(jīng)過(guò)多次反射才被探頭接收，使測(cè)量所得的距離比實(shí)際距離稍大，產(chǎn)生測(cè)量誤差。由于測(cè)量誤差具有一定的隨機(jī)性，因此，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)通過(guò)多次測(cè)量后取其平均值，以減少測(cè)量誤差［7-8］。

表2 滿量程測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Full scale test data

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于RS485總線及多路超聲傳感技術(shù)組建的壓路機(jī)主動(dòng)防撞智能測(cè)距系統(tǒng)，利用RS485總線與中間控制板組網(wǎng)，采用高速單片機(jī)STC15W1 K16S微處理器，使用RS485多從站布局，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)，主從站間采用了485通信協(xié)議并進(jìn)行差錯(cuò)控制。通過(guò)將收發(fā)分離式超聲波探頭以間隔布局的方式安裝在壓路機(jī)前后橫梁的側(cè)面，使相鄰兩組探頭的測(cè)距范圍重合一部分，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)水平測(cè)距最大相對(duì)誤差僅為1.666 6%，滿量程測(cè)距相對(duì)誤差僅為0.5%，確保了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性，使壓路機(jī)在碾壓作業(yè)時(shí)具備了主動(dòng)防撞和人身安全保護(hù)功能，可有效防止壓路機(jī)碰撞和傷人事故的發(fā)生。該設(shè)計(jì)已在有關(guān)施工企業(yè)的壓路機(jī)上試用，整體效果較好。