STM32 超声相控阵导盲系统

1万 · 2019-9-6 09:11

STM32的超声相控阵导盲

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我们知道蝙蝠的视力是很差的，但是蝙蝠能够在漆黑的夜幕中以极快的速度
自由飞行，不会碰到障碍物，并且能够准确的捕捉到猎物。研究发现蝙蝠是依靠
其独特的回声定位系统躲避障碍物并且对猎物进行定位的，蝙蝠能够发出一种超
声波，碰到物体后超声波会返回。蝙蝠根据收到的回波对障碍物或者猎物进行位
置和距离的准确判断。

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蝙蝠的这种仿生学原理，对人们使用超声波起了极大地启迪作用。目前超声
在检测和识别技术得到了广泛的应用。尤其是在医学诊断和工业无损检测方面得
到长足发展。超声波具有这样的特点:具有较强的直线传播能力，能级消耗慢，
指向性强;对电磁和干扰不敏感，不依赖于环境的光线强度，可以在黑暗的环境
中使用;在介质中能够传播较远的距离;利用超声检测的装置结构相对简单，计
算容易，便于实现实时控制。这在便携式、低成本的导盲系统研发中具有极大地
优势。

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电子导盲仪的基本原理和雷达相似，通过仪器上的超声传感器发送超声波信
号，发出的信号遇到障碍物后返回，接收装置对回波信号进行接收并分析得到障
碍物和环境的相关信息。最早的超声电子导盲仪产生于1965年，该装置是一种
基于超声测距的导盲仪，利用超声传感器粗略的获知障碍物的位置。近年来随着
科学技术的不断进步，电子导盲仪也得到了极大地发展。韩国人Young-Jip Kim}l'}
在2001年研制出一种新式的电子导盲仪，该装置由眼镜和手杖两部分构成。这
两部分能够独立工作，都具有独立的超声波发射和接收装置。眼镜部分用来探测
头部高度的障碍物，而手杖则用来探测地面部分的障碍物，通过两部分结合能够
较高和较低的障碍物实现探测。将眼镜和手杖获得的障碍信息以声音的方式传递
至耳机，盲人通过声音来获得周围障碍物的信息。2002年，英国利兹大学的迪
恩·沃特斯推出了一种被称为“Batcane”的超声波导航装置「13]。该装置模仿蝙
蝠发送的超声脉冲的频率为60, OOOHz，回波信号经过接收后以震动的形式向使
用者反馈，在手杖的手柄处放置了四块振动片，不同位置的障碍物能够使不同的
振动片发生振动。振动的频率由障碍物的远近决定，障碍物越近振动就越强烈，
在该装置的帮助下，盲人能够对前方、两侧以及头顶部分的障碍物进行探测，能
够有效的帮助盲人安全行走。

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电子导盲仪由于其结构比较简单，便于携带，而且成本相对低廉，因此得
以推广。但它的缺陷「14]也是显而易见的，目前电子导盲仪主要采用声音和振动的
方式报警，对于使用声音的导盲仪来说如果盲人进入了较为噪杂的环境，电子导
盲仪就很难发挥其作用;其次电子导盲仪的探测也是一个连续的过程，在使用过
程中盲人需要不停地探测，遇到障碍物后需要进行附加的探测以确定障碍物的大
小和距离。

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自主行走机器人是新生的计算机控制领域中的最年轻一代，被应用于社会生
活的各个方面。移动机器人在移动过程中不可避免会遇到各式各样的障碍物，灵
活、实时的躲开这些障碍物是衡量其性能的关键指标。具有避障功能的移动机器
人拥有相当高的社会价值，被大量应用于航天、军事、制造业、医疗、交通等领
域。由于自主行走机器人在复杂地形行动不便，所以机器人本身并不适合作为导
盲工具。但是自主行走机器人在导航避障方面要解决的问题和盲人遇到的问题类
似，所以可以借鉴自主行走机器人障碍物躲避系统，通过超声传感器探测障碍物
的位置，根据一定的算法确定相应的行走方向。使用这种方法指引盲人前进。
超声避障作为移动机器人的常用避障手段在近年来发展迅速，并取得了一定
的成果。韩国庆南大学的Huu Cong-Nguyen开发了一种超声实时检测系统，该机
器人采用超声避障，在机器人的头部安装三个超声传感器，其中一个发射，而另
外两个作为接收，用这两个超声接收探头模仿昆虫的触角，能够有效实现对复杂
环境的非接触式探测

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NavBelt主要有两部分组成:穿戴于盲人身上的腰带状超声发射和接收装置
以及置于背包中的微型计算机组成。腰带上具有8个收发一体的超声探头安装在
腰带上，探头的声束角为150 , 8个均匀排列的探头可以探测前方120。范围内
的障碍物。实际使用中可在引导模式(Guidance Mode)和全景模式(工mage Mode)
之间切换。OAS运用矢量场直方图技术(Vector Field Histogram,VFH)将超声
探头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者
行走。其实物如图1. 2所示。

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GuideCane的概念形成于1995年，它是美国密西根大学继NavBelt之后
研发的，外形跟吸尘器相仿，可看作为电子导盲犬。这种引导手杖由三部分构
成:手柄、机架和车轮。在使用时，使用者握住手柄，推动GuideCane行进。
通过手柄上的微型控制杆，可以控制行走的方向和目标。根据超声传感器获得
的地形信息，在一定算法的作用下，计算机模拟出周围环境的电子地图，计算
机根据地图控制装置的电机，从而达到引导盲人前进到目的地。GuideCane相
比NavBelt有了较大地改进，使用者能够在较短时间内熟练使用该装置，另一
方面将原来放在背包里的计算机转移到电机驱动的行走装置上，减轻了使用者
的负担，实用性大大增强。GuideCane的缺点是体积还是过于庞大，不便于携
带，而且成本较高，所以不便于推广。

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经过三十多年的发展，超声相控阵在众多领域得到了广泛的应用。国外很多
公司也推出基于超声相控阵技术的医用检测和工业无损检测设备，如TOSH工BA
公司推出的SSA-790A全数字化彩色多普勒超声诊断系统。该系统采用先进的
TERA超宽频带的波束形成器，以及差量谐波成像技术，可以获得很高质量的图
像。在无损检测方面，国外一些公司也推出了高性能的超声相控阵工业检测系统。
R/D TECH公司推出的无损探伤仪TomoScan FOCUS LT具有4M/S的数据采集率和
lObit的A/D转换器。它具有常规超声和相控阵超声的多通道配置功能，性能超
群，重量轻，结构紧凑，使用方便「30]。另外美国还研制出最新的超声波三维成像
系统。

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   (1>使用微控制器或者FPGA控制相控阵各阵元的发射时序，聚焦点灵活，
可以在声束角范围内任意角度和深度实现聚焦;而采用声透镜只能在固定焦点聚
集。
   (2)抗干扰能力增强，由于超声相控阵由多个阵元组成，即使少量阵元出
现故障，系统仍然能够继续工作。
   (3)空间功率合成能力，聚焦点的功率大大增强。在相同驱动电压的作用
下，超声相控阵由于在焦点聚焦，其焦点的能量要远大于单个超声探头发射时的
能量。从而使得较低驱动电压下也能得到声场强度更大的扫描信号。
   (4)采用超声相控阵技术可以有效提高系统的分辨力、信噪比。

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系统采用超声相控阵以多发一收的形式完成障碍探测。具体方案如下:超声
探头的工作频率为40KHz，所以系统采用软件编程产生40KHz的超声信号。系统
设计了超声波发射延时模块。发射延时模块由CPLD实现，实现高精度的发射延
时。相控阵部分包含5个超声探头，其中四个发射，一个接收。首先由MCU向
CPLD模块发送一个触发信号，CPLD收到信号之后开始工作，由CPLD控制的各个
探头按照预定的延迟时间依次发送三个周期的方波信号。根据不同的延时时间，
超声相控阵发出的信号能够在前方25个点实现不同情况的聚焦。这25个点以5
X5的形式均匀分布于超声相控阵前方的距相控阵中心1. 5m的平面上。平面中
某一列焦点分布如图所示，圆圈为焦点位置。如图3. 2所示。其中左右以及上下
方向的偏转角度设为30度。聚焦深度为1. 5m。超声波在空气中的速度为340m/s,
根据此速度可以计算出在「绷。由于回波比较微弱，仅为毫伏量级，所以先将信号
进行放大，将其放大为单片机能够识别的信号。当STM32接收到由CPLD发出的
转换开始信号之后开始进行A/D转换。经A/D转换后进行存储，之后进行相关的
信号分析与处理工作，从而实现相控阵扫描。

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