专利名称：一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超声波测距仪，尤其涉及一种基于万象盘的水平扫描超声波 测距仪，它在置于不稳平面工作时，可以保证始终测量物体与测距仪之间的水平距离，属于 数字电子测绘设备技术领域。背景技术：
为了使移动机器人或其他运动系统能自动避障行走，需要装备测距系统，以使其 及时获取与障碍物的距离信息。由于超声波指向性强，能量消耗低，在介质中传播的距离较 远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于 做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。然而，通常运动系统需要多组超声波传感器，才能确定各个方向障碍物的距离，从 而进行综合判断。在判断时，各组传感器获取的信息由于传感器安放位置、以及测距时传 感器姿态不同，会使综合分析造成较大的误差，而且固定位置的传感器难免会有测试盲区。 另外，运动系统行走于颠簸路面时，或者执行某些任务而使其整体姿态改变时，固定位置的 传感器获取的距离将可能不再与障碍物的水平距离，这使得固定的测距设备的应用受到限 制，需要创新性的设计弥补。本实用新型就是为了解决此类问题，设计了一种基于万象盘的水平扫描超声波测 距仪。该测距仪外置于机器人顶或底部，机器人姿态发生变化时，测距仪的传感器始终能够 保持垂直于地面的姿态，通过测距传感器周期旋转，测量水平360°的障碍物距离。从而使 机器人更好把握周围信息。
实用新型内容(1)目的本实用新型的目的是为了提供一种基于万象盘的水平扫描超声波测距 仪。它克服了现有技术的不足，具有适用性强，测距角度更广、更灵活，装配方便等优势。(2)技术方案本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是见图1，一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪，它是由控制器、测量装置、平衡 装置、动力装置、数据传输装置五个部分组成；其位置连接关系是控制器与测量装置、动 力装置的驱动电路、数据传输装置连接，测量装置的转台与平衡装置中的连接杆连接；该测 距仪外接4条线，分别为供电线2条，通信及控制线2条。所述控制器，本身是单片机或者现场可编程门阵列(即FPGA Field Programmable GateArray)或者数字信号处理器(即DSP Digital Signal Processing)芯片组成的具有 控制功能的部件。控制器通过串口或者并口与测量装置、动力装置驱动电路相连；通过系统 总线与数据传输装置相连。控制器中烧录有控制程序，驱动测距仪进行测距。控制器中烧 录控制程序使整个系统正常工作。控制程序包括设备控制和数据传输两部分，其中设备控 制分为超声波测距控制和转台旋转控制；数据传输部分由MAX232芯片和串口接口组成。所述测量装置，包含超声波传感器和转台。该超声波传感器置于转台的圆盘上表面，其传感器指向沿中心向外；该超声波传感器是HC-SR04收发分体式传感器。该转台分为 转动部分圆盘和固定部分圆盘，两者之间的位置连接关系是两圆盘圆心重合，转动部分围 绕固定部分旋转；该转动部分下底面边缘安装有金属导轮，盘中心与传动轴连接固定；该 固定部分圆盘上表面边缘处有导轨，与转动部分金属导轮接合，固定部分盘整体与平衡装 置的平衡垂摆相连，两者相对位置固定。所述平衡装置主要包括万象盘和平衡垂摆。万象盘与平衡垂摆通过连接杆连接； 该万象盘分内圈、中圈和外圈，三者彼此之间各通过两个小轴相连。内圈中心设置有孔，使 传动装置通过，外圈固定于在需安装该仪器的设备上；中圈起平衡调节作用；平衡垂摆由 连接杆和放置步进电机及相关电路的机座组成，该连接杆的一端与测量装置的转台连接， 使测量装置的转台始终保持水平，另一端与机座连接；该机座是长方形箱状件，其上设置有 螺孔用于固定内部器件；连接杆作为摆长，机座作为摆锤。平衡垂摆的重量就是步进电机重 量、电路板重量以及机座重量的总和，并可视情况加配重块；万象盘拥有纵向和横向两个自 由度，保证其可以指向任一方向；所述动力装置是驱动测量装置360°旋转的执行部分，它由驱动电路、步进电机及 传动装置组成。该驱动电路连接步进电机以及控制器，该步进电机连接传动装置，该传动装 置连接转台转动部分；其中，该驱动电路是步进电机专用驱动电路；该步进电机采用微型 步进电机(拟采用MSBN020F01S)；该传动装置由传动轴、传动轴端齿轮和支架组成，传动轴 和传动轴端齿轮固定在支架上，支架即是连接杆、机座和转台三者组成的固定结构；传动轴 端齿轮提供一定传动比，传动轴将步进电机动力传送到测量装置的转台转动部分；驱动电 路为电机提供电力，通过并口接收电机转速信号。该驱动电路为微型步进电机专用驱动电 路。所述数据传输装置即控制器串口输出的转换电路，它是由串口电平转换电路组 成，主要通过max232芯片实现其功能；它使超声波测距数据能够实时传输到机器人控制系 统。机器人使用获得的串口数据进行智能判断，完成避障或者相应的其他任务。(3)优点及功效本实用新型一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪，具有两 个基本的功效功效一步进电机手动控制时，对水平面360°任意方向进行障碍物测距；功效二 步进电机自动控制时，对水平面360°扫描，输出周围360°内障碍物距 罔；本实用新型一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪，具有两个突出的优点优点一适用于非水平面及不稳定的安装环境，能够保证稳定测量水平面内障碍 物距离；优点二 本实用新型360°转向，以单一传感器代替多组传感器，获取信息误差
图1为本实用新型所述基于万象盘的水平面超声波测距仪组成结构示意图图2为本实用新型所述基于万象盘的水平面超声波测距仪结构立体示意图图3为本实用新型所述万象盘结构立体示意图[0022]图4为本实用新型所述转台俯视结构示意图图5为本实用新型所述控制程序结构图图6为本实用新型所述超声波测距控制模块工作流程图图7为本实用新型所述转台旋转控制模块工作流程图图中符号说明如下1超声波传感器；2转台；3连接杆；4传动轴；5万象盘；6步进电机；7机座；8外 圈；9内圈；10中圈；11传动轴端齿轮；12转台转动部分圆盘；13转台固定部分圆盘。
具体实施方式
见图1、图2所示，一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪，它是由控制器、测量 装置、平衡装置、动力装置、数据传输装置五个部分组成；其位置连接关系是控制器与测 量装置、动力装置的驱动电路、数据传输装置连接，测量装置的转台与平衡装置中的连接杆 连接；其中，控制器的型号是89S52单片机；测量装置由超声波传感器1和转台2组成，平衡 装置包括两部分，分别是万象盘5和连接杆3与机座7组成的平衡垂摆，动力装置主要由驱 动电路、步进电机6、传动装置(传动轴4以及在转台2放置的传动齿轮)组成，动力驱动电 路、控制器和数据传输装置均位于机座7内。数据传输装置即控制器串口输出的转换电路， 它主用功能通过一个max232芯片实现，该芯片与控制器串口输入输出相连接。所述控制器，本身是单片机或者FPGA(Field Programmable Gate Array)或者 DSP(DigitalSignal Processing)芯片组成的具有控制功能的部件，在具体实施中使用 89S52单片机作为控制器。控制器通过串口或者并口与测量装置、动力装置驱动电路相连； 通过系统总线与数据传输装置相连。控制器中烧录控制程序使整个系统正常工作。控制程序包括设备控制和数据传输 两部分，其中设备控制分为超声波测距控制和转台旋转控制；数据传输部分由MAX232芯片 和串口接口组成；控制程序结构如图5。超声波测距控制通过并口控制超声波传感器的启 动，返回测距信息经过超声波测距控制模块计算结果后通过串口发送；同时，通过串口通信 可以发送微型步进电机转速信息到转台旋转控制模块，转台旋转控制模块将转速信息转换 发送到电机驱动电路，从而驱动电机转动，电机返回旋转位置信息到转台旋转控制模块，该 模块再通过串口发送出去。超声波测距控制模块工作流程图如图6。该模块工作流程的程序是先向超声波传 感器发送一段IOus左右的40kHz的方波脉冲，并开始计时；超声波传感器启动发送超声波， 超声波遇到障碍物返回，传感器接收回波后返回并口中断信号；程序接到中断则停止计时， 同时发送电机状态信息请求到转台旋转控制模块，通过声波传播速度计算距障碍物距离， 并将结果与电机位置信息一起通过串口输出。转台旋转控制模块工作流程图如图7。该模块工作流程的程序是发送PWM信号到 电机驱动电路，从而控制电机转速。当超声波测距控制模块发来电机状态信息请求时，该程 序通过控制器内的计时器，计算微型步进电机当前旋转位置，将该信息通过串口与测距结 果一起输出。若需要调节转台旋转速度，则可以通过串口输入要求转速。本模块将转速转 化成PWM信号的占空比，修改电机转速参数，从而调节电机转速。数据传输部分由MAX232芯片和串口接口组成，它将测距信息以及电机状态信息一起通过串口输出。电机状态信息显示了当前所测距离的方向，从而使得获取本实用新型 输出信息后可以准确得到周围水平面内距障碍物的距离。所述测量装置，包含超声波传感器1和转台2。超声波传感器1，采用HC-SR04收 发分体式，通过驱动电路接收并口信号启动，发射超声波，接收回波返回信号到控制器的并 口 ；该超声波传感器1置于转台2的圆盘上表面，其指向是沿中心向外。转台2分为转台固 定部分圆盘13和转台转动部分圆盘12，两者之间的位置连接关系是两圆盘圆心重合，转 台转动部分圆盘12围绕转台固定部分圆盘13旋转；转动部分圆盘12下底面边缘安装有金 属导轮，通过传动轴端齿轮11传动旋转；固定部分圆盘13上表面边缘处有导轨，它与平衡 装置的平衡垂摆连接，两者相对位置固定；转动部分圆盘12连接超声波传感器1，实现测距 仪测距方向360°旋转。见图3、图4。所述平衡装置主要包括万象盘5和平衡垂摆。万象盘5拥有纵向和横向两个自由 度，如图2所示，万象盘分外圈8、内圈9和中圈10，内圈9中心有孔，外圈8固定于所需安 装该仪器的设备上，内圈9与中圈10、外圈8与中圈10相连接的轴提供了纵向和横向自由 度，还保证了该万象盘各圈之间不会在水平面内相对旋转；内圈9与连接杆3连接，保证连 接杆3可以指向任一方向，连接杆3内置的传动轴4穿过万象盘内圈9中间孔；平衡垂摆 由连接杆3与机座7组成，连接杆3连接测量装置转台2的固定部分，使测量装置始终保 持水平；平衡垂摆的摆锤重量是步进电机、电路板以及机座重量的总和，并可视情况加配重 块。当测量精度要求高，且测量环境差，平台易颠簸时，可在平衡垂摆处加装磁感阻尼器，该 阻尼器可使平衡垂摆更快回复平衡，减少摆动。所述动力装置是驱动测量装置360°旋转的执行部分，它由驱动电路、步进电机6 及传动装置组成，具体实施中微型步进电机采用MSBN020F01S，驱动电路采用微型步进电机 专用驱动电路。其中，传动装置由传动轴4和置于转台2固定部分上的传动轴端齿轮11及 支架组成，传动轴端齿轮11固定在支架上，支架是由连接杆7连接机座7以及转台2的固 定部分而组成的固定结构，传动轴端齿轮11和传动轴4的空间位置相对支架固定，传动轴 端齿轮11提供一定传动比，传动轴4将步进电机6的动力传送到传动轴端齿轮11，然后由 传动轴端齿轮11传动使支架旋转部分转动；驱动电路置于机座7内，为电机提供电力，通过 并口接收电机转速信号。所述数据传输装置位于机座7内，即控制器串口输出的转换电路，该控制电路主 要由一块maX232芯片实现功能，使超声波测距数据能够实时传输到机器人控制系统。机器 人使用获得的串口数据进行智能判断，完成避障或者相应的其他任务。
权利要求1. 一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪，其特征在于它是由控制器、测量装置、 平衡装置、动力装置、数据传输装置五个部分组成；其位置连接关系是控制器与测量装 置、动力装置的驱动电路、数据传输装置连接，测量装置的转台与平衡装置中的连接杆连 接；该测距仪外接4条线，分别是供电线2条，通信及控制线2条；所述控制器，本身是单片机或者现场可编程门阵列即FPGA或者数字信号处理器即DSP 芯片组成的部件；控制器通过串口或者并口与测量装置、动力装置驱动电路相连，通过系统 总线与数据传输装置相连；该控制器中烧录有控制程序，它包括设备控制和数据传输两部 分；所述测量装置，包含超声波传感器和转台；该超声波传感器置于转台的圆盘上表面，其 传感器指向沿中心向外；该超声波传感器是HC-SR04收发分体式传感器，该转台分为转动 部分圆盘和固定部分圆盘，两者之间的位置连接关系是两圆盘圆心重合，转动部分圆盘围 绕固定部分圆盘旋转；该转动部分圆盘是圆形盘状件，在其下底面边缘安装有金属导轮，盘 中心与传动轴连接固定，该固定部分圆盘也为圆形盘状件，盘上表面边缘处有导轨，与转动 部分圆盘的金属导轮接合，固定部分圆盘的盘整体与平衡装置的平衡垂摆相连，两者相对 位置固定；所述平衡装置主要包括万象盘和平衡垂摆；万象盘与平衡垂摆通过连接杆连接；该万 象盘分内圈、中圈和外圈，三者彼此之间各通过两个小轴相连，内圈中心设置有孔，外圈固 定在需安装该仪器的设备上；平衡垂摆由连接杆和步进电机、放置相关电路的机座组成，该 连接杆的一端与测量装置的转台连接，另一端与机座连接；该机座是长方形箱状件，其上设 置有螺孔；平衡锤摆的重量是步进电机重量、电路板重量以及机座重量的总和，并可视情况 加配重块；万象盘拥有纵向和横向两个自由度；所述动力装置是由驱动电路、步进电机及传动装置组成；该驱动电路连接步进电机以 及控制器，步进电机连接传动装置，传动装置连接转台转动部分圆盘；该驱动电路是步进电 机专用驱动电路；该步进电机采用微型步进电机MSBN020F01S ；该传动装置由传动轴、传动 轴端齿轮和支架组成，该支架固定传动轴端齿轮和传动轴位置并与平衡装置的平衡垂摆连 接，传动轴将步进电机动力传送到测量装置的转台转动部分圆盘；驱动电路为电机提供电 力，通过并口接收电机转速信号；所述数据传输装置即控制器串口输出的转换电路，它是由串口电平转换电路组成，通 过max232芯片实现。
专利摘要本实用新型一种基于万象盘的水平扫描超声波测距仪，它是由控制器、测量装置、平衡装置、动力装置、数据传输装置五个部分组成；其间关系是控制器与测量装置、动力装置的驱动电路、数据传输装置连接；该控制器是单片机或者FPGA、DSP芯片组成的具有控制功能的部件；该测量装置包含超声波传感器和转台；该平衡装置包括万象盘和平衡垂摆；该动力装置是由驱动电路、步进电机及传动装置组成；该数据传输装置是由串口电平转换电路组成，通过max232芯片实现其功能；本实用新型在置于不稳平面工作时，可以始终保证测量物体与测距仪之间的水平距离，具有适用性强、测距角度宽广灵活、装配方便等优势。它在数字电子测绘设备技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。
文档编号G01S15/08GK201837719SQ201020544949
公开日2011年5月18日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者张玉超, 李国旗, 肖杨 申请人:北京航空航天大学