超音波感測器

此小節將簡單介紹所使用的超音波感測器，MaxSonar-EZ1 如圖 2-29所示，

此超音波可以檢測的範圍為 15.24 公分~6.45 公尺，超小尺寸以及超低的電流消 耗，解析度為2.54cm，當偵測物體介於 0~15.24cm，超音波只會回傳 15.24cm的 距離值，另外輸出的介面訊號，包括PWM(頻寬調變)、類比電壓、以及串列的數 位資料(serial digital output)，在本論文中所使用的輸出介面為PWM，每 147us的 脈波寬度為1 inch，每49ms 週期, RX 被給入High 或Open 後, EZ1 的(PW) pin 被 設定為High, 然後送出七個 42KHz 波長。只要有物體被檢測出, PW 會變為”低”電 位, 若是一直沒有檢測到物體, PW pin 保持High 狀態持續到 37.5ms。

圖 2-29 MaxSonar-EZ1 模組

PWM(頻寬調變)的量測則透過單晶片 8051 來執行，如下圖 2-30所示。單 晶片5081 透過兩個外部中斷分別來計算所裝置的兩個超音波，每當一次量測循 環後，就透過 8051 上的RS232 介面把兩個超音波距離量測值送回給DSP，特別 的是因為單晶片8051 的輸出訊號為 5V，但是DSP控制板上的腳位運作工作電壓 為3.3V，所以不能直接把單晶片 8051 的TXD和DSP的RXD直接相連接，必須先 透過電壓轉換，利用SN74LVTH245ADW(具有三態輸出的 3.3V ABT 八路匯流 排收發器)轉換成 3.3V，如下圖 2-31所示。

圖 2-30 單晶片 8051 模組 圖 2-31 SN74LVTH245ADW

因為超音波感測器量測方式是使用波形在空中傳遞的時間和速率計算與物 體之間的距離，所以環境因素將會影響到真實的量測結果，所以針對超音波對不 同距離來做真實量測，而超音波在機器人平台的設置如圖 2-32所示，紅色圓圈 為超音波感測器，兩個超音波分別距離地上15cm。

15cm

圖 2-32 波音波配置圖

首先針對特定距離 100cm處做量測，取樣 400 筆，如圖 2-33所示，由量測 結果可以發現距離值會有誤差干擾的產生，原因為機器人平台比較低，相對的在 超音波配置，距離地面只有 15cm，將會造成超音波的波形在空間上傳遞干擾比 較嚴重，因此有時會造成量測上的錯誤，為了讓超音波在相同距離上保持一樣的 距離值，將加入中值濾波器來濾掉雜訊所產生的誤差，每取樣十筆量測值後將濾 波一次，濾波後的結果如下圖 2-34所示，經由濾波後，將可以得到穩定的感測 值，而不會有雜訊的產生。

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0

20 40 60 80 100 120

samples

distance

original sonar

圖 2-33 原始超音波值(100cm)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 20 40 60 80 100 120

samples

distance

filter sonar

圖 2-34 濾波後超音波值(100cm)

透過中值濾波器前處理後，接下來分別針對不同距離來做實際量測，如圖 2-35所示，不同距離各取樣500 筆資料，然後每 10 筆再經由濾波器，產生最後 的距離輸出，由量測結果可以發現雖然經由此超音波可以量測到長距離但是隨著 距離越長誤差將越大，不過在60cm以內的量測都相當準確。

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

distance(cm)

measure distance(cm)

measure by sonar real distance

圖 2-35 sonar 不同距離量測