專利名稱：基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著壓電材料技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)無(wú)損 探傷、醫(yī)療無(wú)創(chuàng)檢驗(yàn)和水聲探測(cè)等各個(gè)方面，從早期的一維檢測(cè)，發(fā)展到2D和3D成像，其應(yīng) 用范圍和檢測(cè)精度越來(lái)越高。超聲相控陣是利用在空間按照特定分布設(shè)置的N個(gè)超聲換能 器組成的陣列，按照特定的時(shí)序和相位分別發(fā)射超聲波包，在空間的一個(gè)特定點(diǎn)(焦點(diǎn))上 各波包產(chǎn)生相干疊加(干涉)，疊加后的超聲波在遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，由超聲換能器接 收。在接收端經(jīng)信號(hào)處理，所得到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)明顯超過(guò)非焦點(diǎn)上的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前方 特定位置空間障礙物的探測(cè)或得到障礙物的位置信息。利用相控陣特有的電子掃描技術(shù)， 可以對(duì)前方盲人或智能機(jī)器人行走所需空間內(nèi)的障礙物實(shí)現(xiàn)平面掃描，并借助于信號(hào)處理 技術(shù)，通過(guò)對(duì)多個(gè)截面信息的融合，實(shí)現(xiàn)障礙物形態(tài)的識(shí)別。隨著電子技術(shù)及傳感器技術(shù)的 發(fā)展，人們不斷地借助于最新的電子技術(shù)發(fā)展成果來(lái)研制各種導(dǎo)盲裝置。目前國(guó)內(nèi)外各類 導(dǎo)盲設(shè)備的發(fā)明很多，如德國(guó)有采用視頻識(shí)別技術(shù)的導(dǎo)盲杖報(bào)道，英國(guó)發(fā)明的超聲導(dǎo)盲杖， 我國(guó)如CN200970303號(hào)專利所提出的佩戴式超聲導(dǎo)盲裝置、CN1883430號(hào)專利所公開的一 種裝有超聲探頭的智能導(dǎo)盲車；CN2132503號(hào)專利公開的一種集成電路超聲導(dǎo)盲眼鏡；多 方向探測(cè)的超聲導(dǎo)盲杖等。采用視頻技術(shù)其成本很高，且不包含距離信息；即使采用多個(gè)視 頻傳感器，但其會(huì)受到光照、灰塵、雨雪、溫度等環(huán)境因素的影響，從而限制了其應(yīng)用范圍。 超聲傳感器具有不受上述環(huán)境因素的影響的特點(diǎn)，可全天候使用。但單個(gè)探頭的超聲導(dǎo)盲 裝置，很難全方位的探測(cè)；即使采用分布在不同方向的多個(gè)探頭，如CN2287937號(hào)專利所公 開的掃描式探杖，以及C擬803345號(hào)專利所公開的智能導(dǎo)盲杖克服了上述缺點(diǎn)，但卻忽視 了對(duì)于盲人頭部、胸前等重要部位的保護(hù)，亦無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的2D斷面信息，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn) 對(duì)前方人體行走空間的障礙物全面描述。比如對(duì)前方的溝壑、臺(tái)階等信息就無(wú)法直接進(jìn)行 識(shí)別。因此有必要研制一種對(duì)盲人的前方空間進(jìn)行全方位探測(cè)的導(dǎo)盲裝置。近年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)在工業(yè)探傷、醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域得到快速發(fā)展，但在 導(dǎo)盲和自主行走機(jī)器人的路徑探測(cè)及避障目前尚未見(jiàn)到系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適合大范圍應(yīng)用的解決 方案及相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)、易于調(diào) 整、具有較高的穩(wěn)定性和全天候工作等優(yōu)點(diǎn)的基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)系統(tǒng)及方 法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)方法，該方法的檢測(cè)步驟如下1)將多個(gè)發(fā)射超聲換能器按照特定的二維空間分布組成超聲相控陣列；
2)時(shí)序控制模塊根據(jù)空間待掃描點(diǎn)的不同，控制各發(fā)射超聲換能器在不同時(shí)刻各 自發(fā)出一束同相位的短波束，實(shí)現(xiàn)超聲波束的空間聚焦和掃描；3)聚焦后的超聲波在遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，由接收超聲換能器接收；4)接收超聲換能器接收的信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理后，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊；5) MCU模塊對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而形成對(duì)前方特定距離截面上 的若干焦點(diǎn)的掃面，并根據(jù)回波信號(hào)形成截面上障礙物的2D數(shù)字圖像；6)信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的2D數(shù)字圖像進(jìn)行處理，當(dāng)載體移動(dòng)時(shí)，MCU會(huì)不斷地 依次得到前方空間的截面障礙物信息，經(jīng)對(duì)依次采集的截面上對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)障礙物信息的記錄 和比較，即可形成前方障礙物的3D數(shù)字特征；據(jù)此可以對(duì)前方障礙物的形態(tài)提供豐富的識(shí) 別信息；7)對(duì)于非焦點(diǎn)上的障礙物返回的信號(hào)，信號(hào)處理模塊能夠通過(guò)信號(hào)的模式識(shí)別以 及時(shí)間窗內(nèi)的位置信息加以識(shí)別；8)識(shí)別后的信息可由多種方式通知使用者。所述步驟1)中，所述超聲相控陣列是在圓周上內(nèi)接五邊形的五個(gè)頂點(diǎn)上分別 放置五個(gè)超聲換能器，中心位置放一個(gè)超聲換能器，6個(gè)超聲換能器均采用中心頻率為 40KHz、收發(fā)一體的壓電陶瓷超聲換能器。所述步驟5或步驟6)中，所述斷面中心距離相控陣中心1. 5米，下邊距地面高度 150mm，上邊距地面高度1900mm，左右寬度約1710mm。所述步驟5)中的掃描方法如下1)對(duì)波束掃描的斷面進(jìn)行離散化處理，即把斷面劃分成MXN個(gè)離散點(diǎn)，然后分別 把各個(gè)離散點(diǎn)作為焦點(diǎn)進(jìn)行掃描；2)掃描開始后，對(duì)選定的第一個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行聚焦發(fā)射，發(fā)射完畢后計(jì)算下一個(gè)鄰近 焦點(diǎn)與該焦點(diǎn)到接收換能器的飛行時(shí)間差；3)如果下一鄰近焦點(diǎn)到接收換能器的飛行時(shí)間差小于設(shè)定的接收時(shí)間窗口寬度， 則通過(guò)延時(shí)使其滿足時(shí)間窗口寬度的要求；4)按照一定規(guī)則依次選擇換能器，重復(fù)步驟1)和2)；5)本行掃描完成后對(duì)下一行掃描點(diǎn)重復(fù)上述步驟，直到掃描完所有的焦點(diǎn)。基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括超聲相控陣列，該陣列 分別與驅(qū)動(dòng)模塊和放大調(diào)理模塊連接；所述驅(qū)動(dòng)模塊與時(shí)序控制模塊連接，放大調(diào)理模塊 的輸出端與A/D輸入端連接；A/D輸入端與MCU模塊連接，MCU模塊分別控制時(shí)序控制模塊 和輸出告警裝置，并通過(guò)總線接口與上位機(jī)連接；其中驅(qū)動(dòng)模塊由時(shí)序控制模塊按照不同的時(shí)延分別激發(fā)換能器發(fā)射一定長(zhǎng)度的 超聲脈沖序列；由焦點(diǎn)返回的信號(hào)由接收單元轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)放大調(diào)理模塊放大、濾波 后，送A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送MCU處理；MCU模塊通過(guò)時(shí)序控 制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)各換能器發(fā)射的超聲波束進(jìn)行控制，從而形成對(duì)前方特定距離截面上 的特定焦點(diǎn)的聚焦，并根據(jù)回波信號(hào)形成截面上障礙物的2D數(shù)字信息。所述MCU模塊采用ARM單片機(jī)為核心。所述放大調(diào)理模塊為固定增益放大器。由平面排列的超聲換能器陣列發(fā)出一組在空間焦點(diǎn)上聚焦的超聲波束，如在焦點(diǎn)附近如有障礙物，則該障礙物所產(chǎn)生的回波會(huì)被接收換能器接收，經(jīng)信號(hào)放大、濾波、調(diào)理， 然后送入A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理、識(shí)別，即可判定該焦點(diǎn)附近是否有 障礙物存在。當(dāng)對(duì)前方特定截面(掃描面)的所有焦點(diǎn)均完成上述掃描后，即可判知該掃描 面所有障礙物的狀況(即形成2D圖像)。隨著本裝置在載體(使用者或智能機(jī)器人)不斷 前行，則可根據(jù)按照一定間隔不斷得到的多幅空間的2D圖像形成前方障礙物的3D信息，據(jù) 此可以對(duì)前方障礙物的形態(tài)提供更豐富的識(shí)別信息，如可供通行的甬道、樓梯、溝壑等。識(shí) 別后的信息可由多種方式通知使用者。有益效果本發(fā)明有如下的幾個(gè)突出特點(diǎn)1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可全天候工作，易于實(shí)現(xiàn)。超聲波本身對(duì)煙霧、光線、粉 塵、水汽等環(huán)境因素并不敏感，因而可全天候工作。針對(duì)盲人導(dǎo)盲和智能機(jī)器人的應(yīng)用來(lái) 講，無(wú)需對(duì)空間障礙物分布提供更多的細(xì)節(jié)，因此本發(fā)明對(duì)前方截面的離散化分度較低，從 而降低了對(duì)電路的要求，采用ARM單片機(jī)為核心，充分利用片上資源，減少了外圍電路，降 低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。2采用有限個(gè)價(jià)格低廉的超聲換能器組成的超聲相控陣為傳感器，充分利用了相 控陣能夠?qū)崿F(xiàn)定向掃描的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間障礙物的方位、距離以及形態(tài)的識(shí)別，解決了 其他同類系統(tǒng)所無(wú)法識(shí)別的障礙，如溝壑、能夠通行的甬道、樓梯等，對(duì)盲人提供了更全面 的保護(hù)和更詳細(xì)的障礙物信息。3對(duì)于救災(zāi)或軍用智能機(jī)器人而言，往往無(wú)法提前選擇好行走路線，需要機(jī)器人自 主選擇可通過(guò)的路徑，因而需要對(duì)前方障礙物中的空洞進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，以確定行走路線。 本發(fā)明可用最低的成本實(shí)現(xiàn)上述功能，依靠存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和行走速度的反饋，還能使機(jī)器 人具有優(yōu)化路徑的搜索和自動(dòng)返回導(dǎo)航功能。4經(jīng)測(cè)試，有3個(gè)換能器參加發(fā)射即可較好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收。本發(fā)明采用了 5個(gè)發(fā) 射換能器，因此如因意外而導(dǎo)致1到2只換能器失效時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作，從而提高了系統(tǒng) 的魯棒性。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例系統(tǒng)框圖；圖2超聲聚焦示意圖；圖3超聲相控陣平面圖；圖4是本發(fā)明掃描斷面示意圖；圖5是離散化的掃描面示意圖；圖6尾鏈掃描算法流程圖；圖7有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；圖8(a)為從焦點(diǎn)處獲得的原始信號(hào)數(shù)據(jù)；圖8(b)為圖8(a)經(jīng)檢波和濾波處理后的信號(hào)波形圖；圖8(c)為從其他障礙物(非焦點(diǎn))處獲得的原始信號(hào)數(shù)據(jù)；圖8(d)為圖8(c)經(jīng)檢波和濾波處理后的信號(hào)波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由超聲換 能器按照特定的空間分布組成的陣列，在本實(shí)施例中，采用了簡(jiǎn)化的圓形陣列，即在圓周上 內(nèi)接五邊形的五個(gè)頂點(diǎn)上分別放置五個(gè)換能器，中心位置放一個(gè)換能器，詳見(jiàn)圖3所示；該 陣列與驅(qū)動(dòng)模塊連接，驅(qū)動(dòng)模塊由時(shí)序控制模塊按照不同的時(shí)延分別激發(fā)換能器發(fā)射一定 長(zhǎng)度的超聲脈沖序列；時(shí)序控制模塊由MCU控制，MCU采用ST公司的STM32F103單片機(jī)為核 心，根據(jù)空間待掃描點(diǎn)(焦點(diǎn))的不同，控制超聲陣列按照各換能器距離焦點(diǎn)飛行時(shí)間的不 同，在不同時(shí)刻各自發(fā)出一束同相位的窄波束(3個(gè)周期的脈沖)，從而保證各波束的波前 同時(shí)到達(dá)預(yù)定焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)超聲波束在焦點(diǎn)的聚焦，詳見(jiàn)圖1、2。放大調(diào)理模塊，由焦點(diǎn)返回的 信號(hào)由接收單元轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)放大、濾波后，送A/D轉(zhuǎn)換電路；發(fā)射與接收可以使用 相同的換能器，在發(fā)射完畢后，各換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，亦可采用不同的換能器實(shí)現(xiàn)。在本 實(shí)施例中采用了多發(fā)單收的工作模式；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送MCU處理；MCU 模塊通過(guò)時(shí)序控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)各換能器發(fā)射的超聲波束進(jìn)行控制，從而形成對(duì)前方 特定距離截面上的特定焦點(diǎn)的聚焦，并根據(jù)回波信號(hào)形成截面上障礙物的2D數(shù)字信息；信 號(hào)處理模塊由MCU中的軟件實(shí)現(xiàn)，具體完成數(shù)字信號(hào)時(shí)域或變換域的處理。其中時(shí)域處理 包括檢波、焦點(diǎn)位置的確定、閾值檢測(cè)、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)等處理，檢波后的信號(hào)如圖8(b)和(d) 所示，圖8 (a)和(c)為檢波前的原始信號(hào)；變換域處理可采用小波變換等。最終實(shí)現(xiàn)障礙 物特征信息提取及識(shí)別等功能；通過(guò)依次對(duì)截面上所有焦點(diǎn)進(jìn)行掃描，可以形成截面障礙 物的2D數(shù)字信息；當(dāng)盲人(或智能機(jī)器人)在行走時(shí)，MCU會(huì)以固定間隔(比如100ms)連 續(xù)對(duì)截面進(jìn)行掃描，即可通過(guò)不同截面上對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)回波信息的比較，形成前方空間障礙物 的3D數(shù)字信息，從而為障礙物形態(tài)的識(shí)別及路徑選擇提供依據(jù)；障礙物信息會(huì)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總 線或其他通用總線方式與多種信息輸出裝置相連，如發(fā)送給振動(dòng)式觸摸萍、針式觸摸屏、上 位機(jī)或其它信息輸出裝置。結(jié)合圖1，本發(fā)明以嵌入式系統(tǒng)為核心，以超聲相控陣為傳感器構(gòu)建的一個(gè)能實(shí)現(xiàn) 對(duì)行進(jìn)前方的斷面實(shí)施掃描的導(dǎo)盲避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物掃描探測(cè)、通道識(shí)別、 成像功能，并可實(shí)現(xiàn)路徑記憶、回溯引導(dǎo)及相關(guān)信息輸出功能。結(jié)合圖1，當(dāng)對(duì)空間障礙物的分辨率要求不高時(shí)，通過(guò)降低對(duì)截面的離散化分度、 簡(jiǎn)化相控陣的結(jié)構(gòu)，可使整個(gè)系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，其實(shí)現(xiàn)的主要功能有(1)超聲波的發(fā)射、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及提示信息輸出功能。(2)障礙物或通道的識(shí)別、掃描圖像形成、信號(hào)放大、圖形信息輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。(3)超聲波發(fā)射延時(shí)、發(fā)射信號(hào)的相位控制、信號(hào)采集、接收信號(hào)的時(shí)間加窗處理、 圖像信號(hào)的坐標(biāo)定位及實(shí)時(shí)信息輸出功能。(4)對(duì)智能機(jī)器人，通過(guò)記憶已獲得的障礙物信息以及行駛參數(shù)(速度、方向等)， 可實(shí)現(xiàn)路徑記錄及回溯引導(dǎo)功能。結(jié)合圖3，所述的相控陣采用6個(gè)中心頻率為40KHz、收發(fā)一體的TCF40-18TR1壓 電陶瓷超聲換能器來(lái)組成簡(jiǎn)化的圓形陣列，在時(shí)序模塊的控制下，通過(guò)延時(shí)觸發(fā)(實(shí)現(xiàn)發(fā) 射聚焦)、同步觸發(fā)(控制發(fā)射信號(hào)的相位)及定時(shí)發(fā)射(對(duì)不同的截面實(shí)施掃描)，形成 對(duì)不同焦點(diǎn)和不同斷面的掃描功能。換能器可以根據(jù)需要分別獨(dú)立或同時(shí)發(fā)射超聲波，形成空間焦點(diǎn)聚焦的波束。結(jié)合圖4，本發(fā)明所掃描的斷面為離陣列一定距離的矩形平面。本實(shí)施例采用的斷 面中心距離相控陣中心1. 5米，下邊距地面高度150mm，上邊距地面高度1900mm，左右寬度 約1710mm(可根據(jù)需要調(diào)整)，詳見(jiàn)圖4。結(jié)合圖5，本發(fā)明首先對(duì)掃描面進(jìn)行離散化處理，即把斷面劃分成MXN個(gè)離散點(diǎn)， 然后分別把各個(gè)離散點(diǎn)作為焦點(diǎn)進(jìn)行掃描。在本裝置載體的行駛速率小于1. 5米/秒的前 提下，根據(jù)不同需求，每個(gè)斷面掃描的焦點(diǎn)數(shù)可根據(jù)需要選擇(焦點(diǎn)數(shù)越多，其時(shí)序控制模 塊的電路復(fù)雜度、以及精度要求也就越高，因而成本也越高)，本實(shí)施例中采用了高X寬為 5X5，共25個(gè)焦點(diǎn)，詳見(jiàn)圖5。通過(guò)計(jì)算各發(fā)射換能器到焦點(diǎn)以及焦點(diǎn)到接受換能器的飛 行時(shí)間，合理地規(guī)劃掃描方式，能夠以較少的換能器數(shù)量，以及可以容忍的焦平面誤差(在 1. 5米/秒勻速行進(jìn)的前提下< 7cm)，實(shí)現(xiàn)斷面掃描。結(jié)合圖3，鑒于多數(shù)以避障為目的應(yīng)用對(duì)障礙物的空間分辨率要求不高，則所要求 的掃描點(diǎn)數(shù)和掃描速度較低。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本實(shí)施例采用了多發(fā)單收的工作模式。在 該模式下，每個(gè)斷面掃描點(diǎn)的位置是固定的，如果對(duì)每個(gè)焦點(diǎn)均采用發(fā)射、接收這一完整的 掃描程序完成后再依次掃描的方法，則掃描完一個(gè)斷面所需的時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法保證所有掃 描過(guò)的焦點(diǎn)均處在同一個(gè)平面附近。為減少掃描所需的時(shí)間，本發(fā)明采用了一種“尾鏈掃 描”方式，即充分利用超聲波波前在空中飛行所需的時(shí)間，令各焦點(diǎn)的回波按給定的時(shí)間窗 的寬度依次到達(dá)接收換能器，從而可以有效地減少掃描所需的時(shí)間。通過(guò)計(jì)算各發(fā)射換能 器到焦點(diǎn)以及焦點(diǎn)到接受換能器的飛行時(shí)間，按照飛行時(shí)間的長(zhǎng)短合理規(guī)劃路徑，掃描完 所有25個(gè)焦點(diǎn)所需的時(shí)間低于50毫秒。結(jié)合圖6，本實(shí)施例中所采用的時(shí)間窗寬度為1. 5ms，所采集的信號(hào)在空間上對(duì)應(yīng) 著焦點(diǎn)前后各約250mm的范圍。為保證各焦點(diǎn)的返回信號(hào)按照時(shí)間窗的寬度順序到達(dá)接收 換能器，所采用的尾鏈掃描方式算法如圖6所示，掃描算法如下1)掃描開始后，對(duì)選定的第一個(gè)焦點(diǎn)(如圖5中的F13)進(jìn)行聚焦發(fā)射，如發(fā)射完 畢則計(jì)算下一個(gè)鄰近焦點(diǎn)(如F12)與該焦點(diǎn)的飛行時(shí)間差；2)如果鄰近焦點(diǎn)到接收換能器的飛行時(shí)間差小于1. 5ms的窗口時(shí)間，則通過(guò)延時(shí) 使其滿足時(shí)間窗口寬度的要求；3)按照?qǐng)D5所示依次選擇換能器，比如F13、F12、Fl 1、F14、F15，重復(fù)步驟1)和 2)；4)本行掃描完成后對(duì)下一行掃描點(diǎn)重復(fù)上述步驟，直到掃描完所有的焦點(diǎn)。實(shí)際上因掃描焦點(diǎn)位置不會(huì)變化，因此該算法無(wú)需實(shí)時(shí)計(jì)算完成，完全可以事先 計(jì)算完成后做成表格，利用查表方式實(shí)現(xiàn)掃描。本實(shí)施例采用CPLD的有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)超 聲信號(hào)產(chǎn)生、波束掃描、相位控制和發(fā)射周期控制等功能，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖7所示。工作原 理是根據(jù)事先計(jì)算的表格，通過(guò)對(duì)CPLD主時(shí)鐘的計(jì)數(shù)來(lái)得到各超聲換能器所對(duì)應(yīng)的40KHz 脈沖發(fā)生器的啟動(dòng)時(shí)刻，從而啟動(dòng)一次發(fā)射過(guò)程。每次發(fā)射完畢后，脈沖發(fā)生器清零，進(jìn)入 下一次發(fā)射的準(zhǔn)備狀態(tài)。CPLD同時(shí)還向MCU送出幀同步信號(hào)和焦點(diǎn)同步信號(hào)，用于信號(hào)處 理模塊對(duì)焦點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位。結(jié)合圖1，由于本發(fā)明采用了多發(fā)單收模式，從而取消了多路開關(guān)和外置高速A/D 電路；采用時(shí)間窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，因此其放大調(diào)理模塊可簡(jiǎn)化為固定增益放大器，而不需要像許多超聲信號(hào)放大器那樣設(shè)計(jì)AGC或TGC電路。結(jié)合圖1可以看出，其A/D轉(zhuǎn)換電路可使用MCU自帶的模塊，在載體移動(dòng)速率不高 于1. 5m/s的前提下，且采樣點(diǎn)不是太多的前提下(比如9點(diǎn))，其時(shí)序控制模塊可由MCU的 PIO 口實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施例中，為保證較高的空間分辨率，采用了阿爾特拉ALTERA公司MAX II 系列的EPM1270T144C5 CPLD搭建一個(gè)狀態(tài)機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)產(chǎn)生、時(shí)序控制、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、 相位控制等功能。結(jié)合圖1，其障礙物的形態(tài)識(shí)別(如樓梯、溝壑等)、或前方通道(如甬道)是否可 無(wú)礙通行的功能，由MCU中的軟件通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于智能機(jī)器人 等載體而言，行駛速度等參數(shù)可通過(guò)反饋得到，從而可以通過(guò)存儲(chǔ)路徑信息，亦可實(shí)現(xiàn)路徑 記錄和回溯引導(dǎo)功能。本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與必要的外部輸出模塊一起構(gòu)成一 個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)盲系統(tǒng)，亦可作為一個(gè)模塊通過(guò)總線接口，與智能機(jī)器人控制系統(tǒng)一起協(xié)同工 作。上述實(shí)現(xiàn)方式只是本發(fā)明的一種實(shí)施例，對(duì)于本專業(yè)技術(shù)人員來(lái)講，在本發(fā)明公開的方 法基礎(chǔ)上，很容易實(shí)現(xiàn)各種類型的改進(jìn)和變形，因此上述方案只是一種實(shí)施例，而不具有限 制性的意義。
權(quán)利要求
1.基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)方法，其特征是，該方法的檢測(cè)步驟如下1)將多個(gè)發(fā)射超聲換能器按照特定的二維空間分布組成超聲相控陣列；2)時(shí)序控制模塊根據(jù)空間待掃描點(diǎn)的不同，控制各發(fā)射超聲換能器在不同時(shí)刻各自發(fā) 出一束同相位的短波束，實(shí)現(xiàn)超聲波束的空間聚焦和掃描；3)聚焦后的超聲波在遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，由接收超聲換能器接收；4)接收超聲換能器接收的信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理后，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊；5)MCU模塊對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而形成對(duì)前方特定距離截面上的若 干焦點(diǎn)的掃面，并根據(jù)回波信號(hào)形成截面上障礙物的2D數(shù)字圖像；6)信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的2D數(shù)字圖像進(jìn)行處理，當(dāng)載體移動(dòng)時(shí)，MCU會(huì)不斷地依次 得到前方空間的截面障礙物信息，經(jīng)對(duì)依次采集的截面上對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)障礙物信息的記錄和比 較，即可形成前方障礙物的3D數(shù)字特征；據(jù)此可以對(duì)前方障礙物的形態(tài)提供豐富的識(shí)別信 息；7)對(duì)于非焦點(diǎn)上的障礙物返回的信號(hào)，信號(hào)處理模塊能夠通過(guò)信號(hào)的模式識(shí)別以及時(shí) 間窗內(nèi)的位置信息加以識(shí)別；8)識(shí)別后的信息可由多種方式通知使用者。
2.如權(quán)利要求1所述的基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)方法，其特征是，步驟 1)中，所述超聲相控陣列是在圓周上內(nèi)接五邊形的五個(gè)頂點(diǎn)上分別放置五個(gè)超聲換能器， 中心位置放一個(gè)超聲換能器，6個(gè)超聲換能器均采用中心頻率為40KHz、收發(fā)一體的壓電陶 瓷超聲換能器。
3.如權(quán)利要求1所述的基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)方法，其特征是，所述 步驟5或步驟6)中，所述斷面中心距離相控陣中心1. 5米，下邊距地面高度150mm，上邊距 地面高度1900mm，左右寬度約1710mm。
4.如權(quán)利要求1所述的基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)方法，其特征是，所述步驟 5)中的掃描方法如下1)對(duì)波束掃描的斷面進(jìn)行離散化處理，即把斷面劃分成MXN個(gè)離散點(diǎn)，然后分別把各 個(gè)離散點(diǎn)作為焦點(diǎn)進(jìn)行掃描；2)掃描開始后，對(duì)選定的第一個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行聚焦發(fā)射，發(fā)射完畢后計(jì)算下一個(gè)鄰近焦點(diǎn) 與該焦點(diǎn)到接收換能器的飛行時(shí)間差；3)如果下一鄰近焦點(diǎn)到接收換能器的飛行時(shí)間差小于設(shè)定的接收時(shí)間窗口寬度，則通 過(guò)延時(shí)使其滿足時(shí)間窗口寬度的要求；4)按照一定規(guī)則依次選擇換能器，重復(fù)步驟1)和2)；5)本行掃描完成后對(duì)下一行掃描點(diǎn)重復(fù)上述步驟，直到掃描完所有的焦點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是，該系 統(tǒng)包括超聲相控陣列，該陣列分別與驅(qū)動(dòng)模塊和放大調(diào)理模塊連接；所述驅(qū)動(dòng)模塊與時(shí)序 控制模塊連接，放大調(diào)理模塊的輸出端與A/D輸入端連接；A/D輸入端與MCU模塊連接，MCU 模塊分別控制時(shí)序控制模塊和輸出告警裝置，并通過(guò)總線接口與上位機(jī)連接；其中驅(qū)動(dòng)模塊由時(shí)序控制模塊按照不同的時(shí)延分別激發(fā)換能器發(fā)射一定長(zhǎng)度的超聲 脈沖序列；由焦點(diǎn)返回的信號(hào)由接收單元轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)放大調(diào)理模塊放大、濾波后， 送A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送MCU處理；MCU模塊通過(guò)時(shí)序控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)各換能器發(fā)射的超聲波束進(jìn)行控制，從而形成對(duì)前方特定距離截面上的特 定焦點(diǎn)的聚焦，并根據(jù)回波信號(hào)形成截面上障礙物的2D數(shù)字信息。
6.如權(quán)利要求5所述的基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述 MCU模塊采用ARM單片機(jī)為核心。
7.如權(quán)利要求5所述的基于超聲相控陣的特定區(qū)域障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述 放大調(diào)理模塊為固定增益放大器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)、易于調(diào)整、具有較高的穩(wěn)定性和全天候工作等優(yōu)點(diǎn)的基于超聲相控陣的前方障礙物檢測(cè)系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括超聲相控陣列，該陣列分別與驅(qū)動(dòng)模塊和放大調(diào)理模塊連接；驅(qū)動(dòng)模塊與時(shí)序控制模塊連接，放大調(diào)理模塊和時(shí)序控制模塊分別與MCU模塊連接；在檢測(cè)時(shí)，時(shí)序控制模塊根據(jù)空間待掃描點(diǎn)的不同，控制各發(fā)射超聲換能器實(shí)現(xiàn)超聲波束的聚焦；聚焦后的超聲波在遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，由接收超聲換能器接收；接收的信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入MCU；通過(guò)MCU模塊的處理得到前方空間的截面障礙物信息，據(jù)此可以對(duì)前方障礙物的形態(tài)提供豐富的識(shí)別信息。
文檔編號(hào)G01S15/04GK102147471SQ201110048858
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者厲彥忠, 李大鵬, 李雯雯, 楊娟, 楊濟(jì)民 申請(qǐng)人:山東師范大學(xué)