汽車定位系統用于檢測汽車停車位置參數和車箱幾何參數，為機械手在車箱范圍內作業提供平面坐標數據，是車載貨物自動作業控制系統的組成部分。目前的汽車定位系統多用齒輪傳動的機械移位紅外線掃描方式或基于視頻圖像的人工畫界方式，前者定位速度慢，后者定位精度低，可靠性差，都難以滿足實際定位對速度、精度和可靠性的要求。文中采用紅外線電子移位逐行高速掃描技術和超聲波測距技術實現汽車定位，具有可調定位速度和適應惡劣天氣的能力，還采用多種措施，提高系統的抗干擾能力和可維護性能，實現了快速、高精度、高可靠定位的目標。利用Delphi開發主控軟件，實現數據處理，完成定位結果的顯示、輸出，工作參數設置和狀態檢測，具有良好的開放性，方便與各種控制系統接口。
1 工作原理和系統組成
1.1 工作原理
以透射式紅外光電傳感器和超聲波測距裝置相結合可實現對平面區域內物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發射模塊和紅外接收模塊組成，當收發模塊之間有物體遮擋光路時，將改變接收模塊的接收狀態，據此可非接觸探測物體是否存在。
如果把多個發射模塊和多個接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發兩側對應位置上的紅外模塊一對一對地按順序輪流接通工作，對其間區域進行逐行掃描探測，則依據掃描結果不但可判斷該區域是否有物體存在，還可計算出物體的長度及其在該區域中的縱向相對位置。
超聲波測距通常采用渡越時間法，收發頭與被測物體之間的距離：
式中，v為超聲波在介質中的傳播速度；t為超聲波的往返時間間隔。分別在物體兩側標定位置安裝超聲波測距裝置，測出與物體的距離，就可計算出物體的寬度及其在該區域中的橫向相對位置。
1.2 系統組成
圖1為基于聲光探測的汽車定位系統的組成。
圖中單片機1、紅外發射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長度和縱向停車位置的測量。單片機2和4個超聲波測距裝置構成的測距系統，用于車箱寬度和橫向停車位置的測量。
圖1 系統組成
其中紅外發射陣列和紅外接收陣列安裝于工作區域兩側車箱中部的高度，分別由N個發射模塊和N個接收模塊組成，它們均勻平行排列，收發一一對應。4個超聲波測距裝置安裝在工作區域兩側，分成兩組，分別測量前部車箱和后部車箱。
主機對縱向檢測和橫向檢測的數據進行綜合處理和分析，判斷出工作區是否有車、哪種車型，并計算出汽車在區域中的停車位置參數和車箱幾何參數。
2 紅外線電子移位逐行掃描電路設計和調試
2.1 電路設計
圖2為紅外線電子移位逐行掃描電路。圖中只畫出一對紅外發射和接收模塊的電路，并略去脈沖發生器電路。脈沖發生器產生38 kHz的振蕩信號，經過低頻脈沖調制后，送入發射模塊。紅外發射模塊的電子開關在控制信號為高電平時導通，把脈沖發生器送來的信號發射出去；紅外接收模塊的電子開關也在控制信號為高電平時導通，把紅外接收頭的接收狀態輸出，送至單片機1。電子移位電路由74LSl64串聯組成，有N個輸出端子，每一個輸出端子控制一個紅外模塊。開關信號是一個高電平脈沖，每個移位時鐘周期向前移動一位。由于收發兩側移位時鐘同步，所以，收發兩側對應位置上的紅外模塊會一對一對地按順序輪流接通工作，由此達到電子移位逐行掃描的目的。
圖2
2.2 掃描速度和精度處理
掃描速度主要取決于移位時鐘的周期出，完成一次掃描的時間：
該電路中在△f≥2 ms時，具有良好的接收可靠性。單片機l通過程序控制，可使△t一2～10 ms，以滿足不同掃描速度的需要。
紅外陣列中，相鄰模塊間距△Z就是縱向的最高定位精度。根據工作區域的縱向最大長度L的要求確定紅外陣列中模塊數量N，要求N×A／=L。
由于紅外陣列由N個功能相同的紅外模塊串聯而成，所以在制作時，以5～10個模塊做成一個電路板組件，并采用插拔式安裝結構，各個組件電路相同，可相互替換、任意串聯，既能滿足不同工作區長度的要求，也可盡量減少現場更換故障模塊所需的時間。
現場安裝時，需要分段校準，避免誤差累積。
掃描強度處理
在大霧或強降雨天氣，紅外線穿透能力下降，降低了紅外掃描的可靠性，通常以加大紅外發射功率來解決。為此，紅外掃描設置了普通、增強和超強三種掃描強度模式。普通模式的紅外掃描，紅外收發是“一對一”工作，同時只有1個紅外模塊發射，每次移動1位；增強模式的紅外掃描，紅外收發變為“一對二”工作，同時有2個相鄰紅外模塊發射，每次移動1位；超強模式的紅外掃描，紅外收發變為“一對三”工作，同時有3個相鄰紅外模塊發射。很顯然，后兩種模式的紅外發射功率分別是第一種模式的2倍和3倍。后兩種掃描模式的定位精度會有所降低，但最多不超過2△L。
2.4 紅外抗干擾處理
由于定位裝置在室外場地工作，在電路設計上應考慮對日光等背景紅外線的抗干擾措施。具體采取了3項措施：
（1）封閉接收頭。將接收頭置于帶窗口箱體中，避免日光對其直接照射。
（2）動態紅外線發射。日光等背景紅外線一般不會有巨烈波動，因此，對紅外線進行脈沖調制，以動態紅外線發射效果較好。
（3）選用抗干擾接收頭。電路采用了抗干擾能直射日光紅外線干擾中有效檢出紅外線信號。為達到SBXl6i0—02接收頭最佳工作點，脈沖發生器產生的振蕩信號頻率應在（38±0.5）kHz之間。
2.5 大跨度電子移位電路開關信號丟失處理
電子移位電路通常由約100片74LSl64串聯組成，電路長達數10 m，由于分布參數的影響，造成各片74LSl64的移位時鐘信號CLK的不同步，極易導致開關信號在移位過程中丟失，使掃描“半途而廢”。為此，對各片74LSl64的移位時鐘信號CLK，應采用并聯驅動，并保證各片74LSl64的時鐘信號處于同一個驅動級上，同時盡量減小電路阻抗，提高驅動電路的功率。
3 測距系統電路設計和調試
圖3為測距系統電路。該電路由1個單片機和4組超聲波收發單元組成，圖中只畫出了一組超聲波收發單元。發射單元由40 kHz振蕩器和門電路構成。門電路產生占空比很小的低頻脈沖信號，脈沖持續時間為160 its，脈沖間隔為30～50 ms（視需要調整）。此脈沖信號一路作為振蕩器的置位脈沖；另一路送給單片機，作為計時器的起始脈沖。在置位期間，振蕩器輸出經調制的頻率為40 kHz的脈沖信號，由超聲波發射頭T40-16發射出去。回波的接收采用通用的FPS409I紅外接收組件，只是需要把紅外接收管PH302換為超聲波接收頭R40—16，這樣在有效的測距范圍，可保證接收到的信號其輸出達到TTL電平。接收信號經整形放大后送入單片機，作為計時器的停止脈沖。單片機計算起始脈沖至停止脈沖之間的時間t，按照式（1）求出距離s。
圖3 測距系統電路
測距系統采用了“一拖四”的結構，為避免多組超聲波單元互相干擾，它們應在單片機控制下輪流工作。該電路中脈沖間隔為30～50 ms，對應測距范圍約為5～15 m，如果測距范圍加大，需要增大脈沖間隔。另外，該測距電路存在約30 cm的測距盲區，測距裝置與測量對象間要保持30 cm以上的距離，同時單片機對起停脈沖計時時，也要避開盲區內虛假停止脈沖的干擾。
4 控制軟件設計
控制軟件包括主機軟件和單片機軟件，主要軟件流程如圖4所示。單片機1產生紅外線電子移位逐行掃描電路所需的開關信號和移位時鐘，并在每個移位時鐘周期采集一次接收狀態數據，完成一遍掃描后把數據上傳給主機；還可根據主機指令，通過程序控制改變掃描速度和掃描強度。單片機2分別控制檢測4個超聲波裝置，所計時間經簡單處理后上傳給主機。由于存在盲區，要避開此區間過來的虛假停止脈沖的干擾，采用延時開中斷，即在起始脈沖啟動計時器計時后，等待盲區過去再開中斷，使單片機中斷口接收到實際有效停止脈沖停止計時器計時。主機程序以主動查詢方式輪流從兩個單片機讀取縱向檢測數據和橫向檢測數據，然后依照一定算法，對檢測數據進行處理、分析，先判斷是否有車，有車時判斷車型、計算停車位置參數和車箱幾何參數。
主機軟件采用Delphi編寫，能進行測量參數顯示和工作參數設置。
圖4 主要軟件流程
5 測試與結果
測試在室外工業現場進行。工作區為5 m×21 ITI，紅外模塊的間距為5 cm，紅外收發陣列的模塊數均為425。連續對100輛汽車進行定位，包括多種車型，都定位成功。在白天和夜間各抽取5輛汽車的定位數據與實物數據進行現場比對，結果如表1所示。車箱長度和前距測量誤差不超過5 cm，車箱寬度和邊距測量誤差不超過6 cln，單次定位時間最快可達1 s內。
6 結語
結果表明，采用聲光探測技術可實現平面內物體的非接觸定位。基于聲光探測的汽車定位系統，不論是定位速度、定位精度還是定位可靠性，都較當前的其他定位方式有明顯的提高。目前該系統已被用于汽車物料自動取樣控制系統中，在多個鋼鐵電力企業得到應用，運行效果良好。