劉曉玲++丁保全

摘 要：針對多旋翼無人機對所搭載外圍設(shè)備體積小、重量輕、可靠性高的技術(shù)要求，設(shè)計了一款高精度、輕量型和抗干擾能力強的超聲波測距系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)中的超聲波發(fā)射電路、接收電路和放大濾波電路。該系統(tǒng)利用STM32自帶的ADC采樣功能確定渡越時間，并簡化了硬件電路；與傳統(tǒng)超聲波測距模塊采用固定式輸出頻率相比，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出頻率可根據(jù)測距范圍實時更新。同時針對戶外使用的要求，引入了溫度補償技術(shù)。經(jīng)戶外環(huán)境下的測試實驗表明，此超聲波測距系統(tǒng)可以滿足多旋翼無人機產(chǎn)品的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：STM32單片機；超聲波傳感器；ADC采樣法；更新速率

中圖分類號：TP274.53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）02-00-04

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的飛行器已逐漸進(jìn)入實用階段。多旋翼無人機因其輕巧、靈活的機身被廣泛用于執(zhí)行地理測繪、航拍等工作。由于多旋翼無人機本身有限的負(fù)載能力和體積限制，導(dǎo)致其對外圍機載模塊要求極為苛刻[1-3]；多旋翼無人機在低速飛行時，旋翼荷載和機體慣性都比較小，十分容易受氣流干擾，這就需要無人機的控制系統(tǒng)更加靈活，外圍機載模塊與主控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信方面要更實時、更加精確[4]。超聲波測距模塊作為多旋翼無人機系統(tǒng)主要機載模塊之一，為多旋翼無人機系統(tǒng)實現(xiàn)定位的準(zhǔn)確性、避障的智能化以及在定位模式下航拍效果的穩(wěn)定性起到了很好的保障作用；相比高端激光雷達(dá)測距模塊需要高精度的特殊硬件做支撐，且成本較高的特點，超聲波測距在控制方法、性價比和安全性等方面都占有明顯優(yōu)勢；但超聲波測距模塊用在多旋翼無人機上會出現(xiàn)因槳葉運動對超聲波探頭接收信號干擾比較嚴(yán)重的現(xiàn)象。目前多旋翼無人機系統(tǒng)所選用的超聲波測距模塊采用8位或者16位單片機作為主控制器[5]，因為主控芯片性能的限制，功能擴展性差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性差、精度低；加之采用收發(fā)分體式探頭且對回波信號的處理采用硬件檢波法，導(dǎo)致整個模塊的體積偏大。針對以上缺點，本研究設(shè)計了一款基于STM32系列單片機的超聲波測距模塊，選用收發(fā)一體式探頭，采用軟件檢波法和濾波法，旨在降低硬件電路重量和尺寸，解決數(shù)據(jù)輸出頻率較低且固定的問題，提高整個系統(tǒng)的靈敏度、實時性和抗干擾能力。

1 超聲波測距系統(tǒng)

本研究設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)采用ST公司最先進(jìn)的Cortex-M4內(nèi)核的32位高性能微控制STM32F302K8U6作為主控制器，CPU主頻72 MHz，但芯片尺寸僅為5mm×5mm，對比選用CPU主頻只有35 MHz，但芯片尺寸卻為12 mm×12mm的16位單片機作為主控制器的超聲波測距模塊，此款芯片在處理速度和尺寸上明顯占優(yōu)勢；相比收發(fā)分體雙探頭的超聲波測距模塊體積11.5cm×8.0cm×5cm[6]，本設(shè)計采用收發(fā)一體式探頭，整個模塊體積僅為2.6cm×2.71cm×5 cm；除了采用硬件濾波處理之外，還結(jié)合軟件濾波處理算法，有效降低無人機螺旋槳在高速運動過程中產(chǎn)生的高頻信號對超聲波探頭接收信號的影響[7]。超聲波測距系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

整個超聲波測距系統(tǒng)的原理：首先主控制器STM32F302K8U6負(fù)責(zé)發(fā)送8個40 kHz的方波，經(jīng)發(fā)射電路驅(qū)動超聲波傳感器40C16TR-1激勵出超聲波，待接收到回波信號后，經(jīng)過LM324運放電路實現(xiàn)放大、整形和濾波，最終信號進(jìn)入STM32的ADC采樣通道進(jìn)行處理，計算距離信息。

多數(shù)超聲波測距系統(tǒng)對外通信采用串口通信，本設(shè)計中超聲波測距系統(tǒng)與無人機主控制單元的通信采用應(yīng)答式CAN通信方式。當(dāng)無人機主控單元需要超聲波測距信息時，向本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，本系統(tǒng)再將測距信息應(yīng)答給主控單元，從而避免頻繁向主控單元發(fā)送測距信息增加系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)。同時，CAN在通信速率、錯誤檢測機制以及抗干擾能力上都明顯優(yōu)于串口通信，保證了主控單元對數(shù)據(jù)實時性和穩(wěn)定性的要求[8]。

2 超聲波測距系統(tǒng)功能控制模塊設(shè)計

2.1 超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射和接收電路

系統(tǒng)的發(fā)射電路主要由STM32的高級定時器TIM1輸出兩路幅值為3.3 V、頻率為40 kHz的互補型PWM信號，兩路信號分別為IO-1 和IO-2。超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射電路原理圖如圖2所示。

相比于僅采用單三極管和單MOS管作為超聲波發(fā)射電路的測距系統(tǒng)[9]，本設(shè)計增添了MOS管Q3，其作用是保證M點處能夠產(chǎn)生一個和IO-1同頻率而幅值為VCC的周期信號。若不引入IO-2，會導(dǎo)致M點低電平不完全為0，如圖3（a）所示；引入IO-2后，M點波形如圖3（b）所示。這樣從發(fā)射端保證了信號的不失真性；經(jīng)中軸T1放大后，最終通過超聲波傳感器U1將超聲波信號發(fā)射出去。

2.2 超聲波放大濾波電路

超聲波傳感器處于接收回波信號狀態(tài)時，由于回波信號在傳播過程中會有一定的損耗而變得很微弱，所以在進(jìn)入單片機之前需要進(jìn)行放大有效信號，濾除噪聲和干擾，以達(dá)到最大的信噪比。超聲波測距系統(tǒng)回波處理電路如圖4所示。

值得注意的是，本設(shè)計采用二極管組將放大后的超聲波交流信號幅度限制在二極管導(dǎo)通壓降之內(nèi)，減少了尖峰脈沖對系統(tǒng)的影響，這樣經(jīng)最后一級反向放大后的信號就會變得相對平滑。

3 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ADC采樣法確定渡越時間

一般超聲波測距電路采用外接比較電路檢測回波信號，本設(shè)計采用軟件法檢測回波信號確定渡越時間。軟件法檢測回波信號工作原理：利用STM32自帶的ADC采樣功能，首先采用遞推平均濾波法將采集回來的信號進(jìn)行濾波處理，再與設(shè)定好的軟件閾值比較；如果ADC采集的電壓值連續(xù)多次大于所設(shè)閾值，即可判斷出第一個回波所在位置，從而能夠確定此時對應(yīng)的AD采樣點N。如果已知AD采集一個點所需時間t，便能確定渡越時間T=N×t。

3.2 超聲波測距系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

以超聲波傳播速度340 m/s，測距范圍5 m為例，理論上需要30 ms實現(xiàn)一次超聲波的發(fā)射和接收，所以超聲波測距系統(tǒng)相當(dāng)于每隔30 ms傳輸一次實時測距信息給多旋翼無人機系統(tǒng)的主控端。若將ADC采集一個數(shù)據(jù)的時間配置為16μs，則一個周期內(nèi)理論上需要采集點數(shù)n=30 ms/16 μs≈1875。不同的測距范圍與各參數(shù)配置關(guān)系見表1所列。

整個超聲波測距系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計，包括CAN通信配置函數(shù)、端口配置函數(shù)、定時器配置函數(shù)、ADC配置函數(shù)、中斷處理函數(shù)、溫度采集函數(shù)等。系統(tǒng)開始進(jìn)行CAN通信的初始化配置，然后根據(jù)無人機主控單元發(fā)送的ID信息判斷此時要求的測距范圍，根據(jù)不同的測距范圍進(jìn)行相應(yīng)的初始化設(shè)置。定時器2主要控制對外輸出頻率，進(jìn)入定時器2中斷后先調(diào)用溫度處理子函數(shù)[10]，再開啟定時器1和定時器3；定時器1主要負(fù)責(zé)發(fā)送超聲波，定時器3用于控制ADC采樣子函數(shù)并計算渡越時間。當(dāng)檢測到回波信號后，調(diào)用距離計算子函數(shù)，計算結(jié)果通過CAN通信方式將數(shù)據(jù)再傳至無人機主控單元。

針對ADC采樣點數(shù)較多的特點，使用DMA傳輸方式將ADC采集的數(shù)據(jù)直接經(jīng)總線傳遞至內(nèi)存單元，此過程不需要CPU參與；而如果采用非DMA方式，不僅需要CPU全程控制數(shù)據(jù)傳送，還會出現(xiàn)因并行設(shè)備過多CPU處理不及時導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。超聲波測距系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

4 超聲波測距系統(tǒng)實驗結(jié)果及分析

4.1 測距效果對比分析

為了驗證系統(tǒng)的測距效果，選擇在戶外進(jìn)行實際測試。戶外溫度32 ℃時，超聲波在空氣中的傳播速度為350.28 m/s，選擇正對350 cm×400 cm的墻面進(jìn)行測試，實驗測結(jié)果見表2～表5所列。

在表2和表3中，D1是用專業(yè)測距儀Fluke414D測量的距離，D2是使用目前常用的HC-SR04超聲波模塊測量的數(shù)據(jù)，D3是本設(shè)計的超聲波測距模塊所測數(shù)據(jù)。實驗過程在將三者處于同一對地高度的前提下正對墻面測試。

由表2可知，相比 HC-SR04超聲波測距模塊，本設(shè)計的超聲波測距模塊在穩(wěn)定性和精度上都具有明顯優(yōu)勢。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，HC-SR04超聲波測距量程僅有4.5 m，當(dāng)測距范圍超過其量程之后，并沒有設(shè)置檢測機制，導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定。

測距范圍為10 m的測距效果見表4所列。其中D1是專業(yè)測距儀Fluke414D測量的數(shù)據(jù)，D2是本文設(shè)計的超聲波測距模塊測量的數(shù)據(jù)；實驗過程同樣保證專業(yè)測距儀和超聲波測距模塊處于同一對地高度的前提下正對墻面測試。

對比表2和表3，由表4可知，隨著測距范圍的增大，超聲波模塊的測距誤差也隨之增大。主要原因是反射回波較弱，會存在誤差；但整體的測距誤差控制在15 cm之內(nèi)，滿足多旋翼無人機系統(tǒng)在戶外環(huán)境下對精度的要求。

為避免表3中HC-SR04超聲波測距模塊因沒有設(shè)置超量程檢測機制導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出極不穩(wěn)定的情況，本設(shè)計經(jīng)實際測試找到其量程，并針對其超量程的情況給予改進(jìn)。超測距范圍時的實驗結(jié)果見表5所列。

由表5可知，當(dāng)測距超過10 m后數(shù)據(jù)波動較大，為避免主控單元因誤用數(shù)據(jù)而發(fā)生墜機等危險情況發(fā)生，本設(shè)計將檢測不到回波信號情況下的測量距離設(shè)定為一定值11，保證無人機系統(tǒng)能夠可靠、安全的執(zhí)行任務(wù)，實驗結(jié)果見表6所列。

4.2 數(shù)據(jù)更新頻率對比分析

為了測試數(shù)據(jù)的更新頻率，將本文設(shè)計的超聲波測距模塊與MB1200超聲波測距模塊進(jìn)行對比分析，測試結(jié)果見表7和表8所列。表7所列是測距范圍為5 m時的對比結(jié)果，表8所列是測距范圍為10 m時的對比結(jié)果。表中n1和f1是本文所設(shè)計的超聲波模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)，n2和f2是MB1200超聲波模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

由表7和表8可知，相比更新頻率為固定式的超聲波測距模塊，本文設(shè)計的超聲波測距模塊更新頻率可根據(jù)測距范圍實時更新，且更新頻率最高為33 Hz，保證了無人機主控單元對數(shù)據(jù)的實時性要求。

5 結(jié) 語

對比采用收發(fā)分體式雙探頭的超聲波模塊的體積和重量，本設(shè)計的收發(fā)一體式超聲波模塊在體積上縮小了一倍，僅為26 cm×27.1 cm×5 cm，而且整個超聲波測距模塊重量輕至5.6 g。

充分利用32位主控芯片STM32F302K8U6的性能，采用軟件檢波法確定超聲波信號從發(fā)射到接收的時間；對比采用硬件電路檢波的超聲波模塊，不僅減少了電路板的尺寸，而且提高了測距精度；同時為了配合無人機主控單元對數(shù)據(jù)實時性要求高的特點，可以根據(jù)測距范圍更新數(shù)據(jù)輸出頻率，最快更新頻率是其他超聲波測距模塊的3倍。

在硬件電路上首次引入二極管組，將放大后的超聲波交流信號的幅度限制在二極管導(dǎo)通壓降之內(nèi)，減少尖峰脈沖對系統(tǒng)的干擾；配合結(jié)構(gòu)工藝合理安裝在多旋翼無人機系統(tǒng)中，能有效降低無人機螺旋槳在運動過程中對超聲波測距精度的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

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