Toepassingsanalise van ultrasoniese sensor in die mobiele robotafstandstelsel

I. Inleiding

In die proses van intydse hindernisvermyding en padbeplanning vir outonome mobiele robotte, moet die robot staatmaak op die verkryging van eksterne omgewingsinligting, die teenwoordigheid van hindernisse aanvoel en die afstand van hindernisse meet. Tans sluit robot-hindernisvermyding en afstandsensors infrarooi, ultrasoniese, laser- en visuele sensors in. Lasersensors en visuele sensors is duur en vereis hoë vereistes vir beheerders. Daarom, infrarooi en ultrasoniese vlakomskakelaars word meestal in mobiele robotstelsels gebruik.

Die meeste stelsels gebruik 'n enkele sensor vir inligtingversameling, maar as gevolg van die probleem om blindekolle te meet, is die reeks ultrasoniese sensors oor die algemeen tussen 30 en 300 cm; terwyl die opsporingsafstand van infrarooi afstandsensors kort is, gewoonlik binne tien sentimeters. In 'n sekere mate kan dit vergoed vir die tekortkominge van ultrasoniese sensors wat nie van naby gemeet kan word nie. Daarom gebruik hierdie stelsel veelvuldige infrarooi en ultrasoniese sensors om afstandinligting te meet en in te samel.

2. Rangskik beginsel en metode

(1) Ultrasoniese sensor
Ultraklank verwys na klankgolwe met 'n resonansiefrekwensie hoër as 20Hz. Hoe hoër die frekwensie, hoe sterker is die weerkaatsingsvermoë. Ultrasoniese sensors is goedkoop, en hul werkverrigting word skaars beïnvloed deur lig, stof, rook, elektromagnetiese interferensie, en metaal, hout, beton, glas, rubber en papier kan byna 100% van ultrasoniese golwe weerspieël, sodat hulle gebruik kan word om voorwerpe op te spoor.
Die metode van ultrasoniese afstandmeting is die eggo-opsporingsmetode. Die transducer stuur voortdurend klankpulse uit. Nadat die klankgolf die hindernis teëgekom het, word dit teruggekaats en deur die ontvangstransduktor ontvang. Die afstand van die hindernis word bereken volgens die spoed van klank en tydsverskil. Die verband tussen afstand en spoed van klank en tyd word uitgedruk.

(2) Metodes om die akkuraatheid van ultrasoniese reeksomskakelaar te verbeter
1. Gebruik die toepaslike frekwensie en golflengte: gebruik hoë krag ultrasoniese transducer om die afstand te meet, die frekwensie is te laag; die eksterne geraasinterferensie is meer; die frekwensie is te hoog, en die verswakking is groot tydens die voortplantingsproses. Daarbenewens is die ultrasoniese sensor geneig om blinde kolle tydens die meetproses te genereer, en die ontvangkant is geneig om lekkende golwe te ontvang. Om hierdie tekortkoming te verbeter, is dit nodig om die lengte van die oorgedra golfstring te verminder en die frekwensie van die oorgedra golf te verhoog. As die lengte van die uitgesaaide golfstring egter te kort is, kan die uitsaaitransducer nie opgewek word nie of die opgewekte vibrasie bereik nie die maksimum waarde nie; as die frekwensie van die oorgedra golf te hoog is, is die verswakking groot, en die werkafstand verminder. Toetse het getoon dat die gebruik van 40 kHz ultrasoniese golwe om die pulsgroep uit te stuur 10-20 pulse bevat en goeie voortplantingsprestasie het.

2. Die verbetering van die tydsberekening akkuraatheid van die stelsel kan ook die akkuraatheid van ultrasoniese afstand transducer verbeter. Hoe hoër die telfrekwensie van die timer, hoe kleiner is die afstandsfout as gevolg van die kwantiseringsfout van tyd.

3. Deur die tydsvertraging van die stelselkring te kompenseer, kan die afstandsfout verminder word en die reeksakkuraatheid verbeter. In die formule is △ t die vertragingstyd, s; s1, s2 is twee bekende meetafstande, m; t1, t2 is die ooreenstemmende meettyd, s.

(3) Infrarooi hindernis vermyding sensor
Infrarooi is 'n elektromagnetiese golf tussen sigbare lig en mikrogolf. Daarom het dit nie net die eienskappe van sigbare lig lineêre voortplanting, refleksie, breking, ens. nie, maar het ook sekere eienskappe van mikrogolwe, soos sterk penetrasie en vermoë om sekere ondeursigtige Materie te penetreer, ens. Die infrarooi sensor sluit 'n infrarooi uitstraal toestel en 'n infrarooi ontvang toestel in. Alle voorwerpe in die natuur sal infrarooi straling uitstraal solank die temperatuur bo absolute nul is. Daarom moet infrarooi sensors sterker oordrag- en ontvangvermoë hê.

Die basiese beginsel van die infrarooi ultrasoniese sensor se reikwydte is dat die liguitstralende buis infrarooi lig uitstraal, en die ligsensitiewe ontvangsbuis ontvang die weerkaatste lig van die voorwerp voor hom, en dan oordeel of daar 'n hindernis voor hom is. Die afstand van die voorwerp kan beoordeel word volgens die intensiteit van die uitgestraalde lig. Die beginsel daarvan is dat die intensiteit van die lig wat deur die ontvangbuis ontvang word, wissel met die afstand van die reflekterende voorwerp. Die gereflekteerde ligintensiteit is naby aan die afstand, en die weerkaatste ligintensiteit is ver weg.

Tans het 'n infrarooi foto-elektriese skakelaar, wat een van die mees gebruikte sensors is, 'n transmissiefrekwensie van ongeveer 38 kHz en 'n relatief kort opsporingsafstand. Dit word gewoonlik gebruik vir die herkenning van kortafstand-hindernisse. Hierdie stelsel gebruik hierdie soort sensor.

(4) Defekte van infrarooi afstandmeting
Die algemene infrarooi foto-elektriese skakelaar, wat deur die kenmerke van die toestel beïnvloed word, het swak anti-interferensie en word grootliks deur omgewingslig beïnvloed; en die kleur van die bespeurde voorwerp en die gladheid van die oppervlak verskil, en die intensiteit van die gereflekteerde infrarooi lig sal anders wees.

Derde, die hardeware stelsel struktuur

(1) Stelselsamestelling
Die afstandmeetstelsel is saamgestel uit enkelskyfie-mikrorekenaar, ultrasoniese versending- en ontvangstroombaan, infrarooi-stuur- en ontvangkring, digitale vertoonkring en seriële kommunikasiekring. Die beheerkern is Lingyang 16-bis mikrobeheerder SPCE061 A. Daar is 2 16-bis programmeerbare tydskakelaars, 1432-bit programmeerbare 143-bits, 143-bit programmeerbare timers, onderbrekings inset / uitset kanale, en 7-kanaal 10-bis A / D op die chip. omskakelaar.

(2) Ultrasoniese sensorkring
Die I / O9-I / O11-poort van Lingyang MCU is gekoppel aan die drierigting-ultrasoniese transmissiekring, en die I / O3-I / O5 is gekoppel aan die drie-rigting ultrasoniese ontvangskring. Die 40 kHz-seintransduktor wat deur die enkelskyfie-mikrorekenaar gegenereer word, word deur die I/O uitgestuur, en word versterk deur die versterker-versterkerkring wat saamgestel is uit die omskakelaar 4049B. Laastens word dit deur die ultrasoniese transducer UCM40T oorgedra; die klankgolf keer terug na die hindernis en word ontvang deur die ontvangstransduktor UCM40R. Die sein word versterk deur 'n twee-stadium versterkerkring saamgestel uit OP07, frekwensie-geselekteerde deur 'n fase-geslote lus oudio dekodeerder LM567, filter uit interferensie seine, en laastens, invoer in 'n enkel-skyfie O-poort mikrorekenaar. Die enkelskyfie-mikrorekenaar bereken die afstand van die hindernis deur die oordragtyd van die klankgolf.

(3) Infrarooi sensor kring
Die I / O0 ～ I / O6 van Lingyang MCU kan as 'n 10-bis A / D omsetter gebruik word. In hierdie stelsel word die I / O0 ～ I / O2-poorte van Lingyang MCU as A / D-omsetters gebruik. I / O6 ～ I / O8 is gekoppel aan drie infrarooi sender stroombane, en I / O0 ～ I / O2 is gekoppel aan drie infrarooi ontvangers met stroombaan. Wanneer die I/O-poort van die enkelskyfie-mikrorekenaar 'n hoë vlak uitstuur, gelei dit met die infrarooi luminescerende buis TLN205 en straal infrarooi lig uit; die liggolf word weerkaats nadat hy 'n hindernis teëgekom het en ontvang deur die infrarooi-ontvangsbuis TPS708, wat 'n stroom opwek wat ooreenstem met die ligintensiteit. Nadat die twee-stadium versterkerkring wat saamgestel is versterk is, voer dit 'n analoog spanning van 0 ~ 3V uit, wat ingevoer word na die enkelskyfie mikrorekenaar deur die A/D-poort. Die enkelskyfie-mikrorekenaar bereken en beoordeel die afstand van die hindernis deur die grootte van die spanning.

4. Sagteware-ontwerp
Die enkelskyfie-rekenaar SPCE061 A kies die stelselfrekwensie fosc = 20.480MHz, die SVE-klokfrekwensie (CPUCLK) is fosc / 2 = 10. 24 MHz, die klokbron kies die frekwensie 32768 Hz, die klokbron kies die frekwensie, en verskaf die frekwensie 1Hz1, en verskaf die frekwensie 1Hz16 teller: TimerA en TImerB. Die klokbron van TIMErA word gevorm deur die bewerkings van klokbron A en klokbron B; die klokbron van TImerB is slegs klokbron A.
Die 40 kHz ultrasoniese puls is 'n vierkantgolf met hoë en lae vlakke wat elk 12,5 μs beslaan. Die SVE-kloktelling word met 123 instruksiesiklusse vertraag, wat 12,5 μs is. Die enkelskyfie-rekenaar kan 'n pulssein van 40 kHz genereer deur voortdurend hoë en lae vlakke van 12,5 μs op te wek. 'n Polsgroep van 20 pulse word elke keer vir 0.5 ms uitgestuur, en die pulsuitstraling en die intervaltyd is ten minste 20 ms, wat uit die I/O-poort uitgevoer word. . Die stelsel kies timer A as 'n timer-onderbreking van 20 ms en timer B as 'n ultrasoniese teller. Omdat die ultrasoniese sensor 'n dooie sone-meting het, word die afstandmeting van meer as 30 cm in die programontwerp deur die ultrasoniese sensor voltooi, en die infrarooi sensor word binne 30 cm voltooi.

In die infrarooi reikwydteproses word die timer A gebruik om 'n 0.1S-onderbreking vir A/D-steekproefneming te genereer, en die spanningwaarde word omgeskakel na afstandinligting. In die hoofprogram, voer eers die infrarooi-opsporingssubroetine in. As 'n hindernis bespeur word, voer die data-oordrag-, vertoon- en bewegingsbeheersubroetine in; indien geen hindernis opgespoor word nie, gaan die ultrasoniese opsporing subroetine in. Ultraklank bespeur struikelblokke en gaan dan die data-oordrag-, vertoon- en bewegingsbeheersubroetines in. As geen struikelblokke opgespoor word nie, word infrarooi-opsporing onderskeidelik siklies infrarooi en ultrasoniese opsporing subroetines uitgevoer.

V. Meetresultate
Tydens die toets word hindernisse van dieselfde grootte, tekstuur en kleur vir meting gebruik. Toetse toon dat die stelsel se afstandakkuraatheid binne 1% van 0 tot 200 cm is, wat die afstand van hindernisse akkuraat kan meet. Die afstandmeting binne 30 cm word deur infrarooi sensors gedoen, en die afstandmeting tussen 30 en 200 cm word deur ultrasoniese sensors gedoen.

6. Gevolgtrekking
Hierdie vraestel bestudeer 'n lae-koste, lae-krag, hoë-werkverrigting mobiele robot sy-afstand stelsel, 'n multi-sensor stelsel wat ultrasoniese en infrarooi sensors gebruik, wat effektief die probleem oplos van die meet van blinde kolle in 'n enkele sensor reeks stelsel; Die drie sensorgroepe word op drie verskillende posisies van die robot saamgestel, sodat die robot die afstandstake in drie verskillende rigtings kan voltooi.