Opsporingstelsel van outonome mobiele robot gebaseer op ultrasoniese sensor

'n Uitbreiding van die ultrasoniese sensor is 'n goeie aanvulling tot die bestaande opsporingstelsel van mobiele robotte. Dit is ten volle gedemonstreer in eksperimentele toepassings, en dit het sekere praktiese toepassings in hindernisopsporing en robotposisie-aanpassing. Hierdie metode moet egter intyds en akkuraatheid verder verbeter word.

 

Een van die belangrikste u ltrasoniese vlaksensor vir mobiele robotte om outonome gedrag te verkry, is om kennis oor die omgewing te bekom. Dit word bereik deur verskillende ultrasoniese sensormetings te gebruik en inligting uit daardie metings te onttrek. Sensors soos visie, infrarooi, laser en ultrasonies is almal in mobiele robotte gebruik. Ultrasoniese sensors is wyd gebruik in mobiele robot sensing stelsels as gevolg van hul hoë koste werkverrigting en eenvoudige hardeware implementering. Ultrasoniese sensors het egter ook sekere beperkings, hoofsaaklik as gevolg van die groot straalhoek, swak rigting en onstabiliteit van afstandmeting (onder nie-vertikale refleksie). Daarom word verskeie ultrasoniese sensors of ander sensors dikwels gebruik om te vergoed. Ten einde die tekortkominge van die ultrasoniese sensor self te vergoed en sy vermoë om omgewingsinligting te bekom, te verbeter, ontwerp hierdie vraestel 'n opsporingstelsel wat bestaan ​​uit 'n geïntegreerde ultrasoniese sensor en 'n stapmotor.

 

1 Ontleding van die opsporingsbeginsel en metode van ultrasoniese sensors

 

Die basiese beginsel van 'n ultrasoniese sensor is om (ultrasoniese) drukgolfpakkies te stuur en die tyd te meet wat dit neem vir die golfpakkies om oorgedra en teruggestuur te word na die ontvanger.

 

Onder hulle is dit die afstand tussen die teiken en die ultrasoniese sensor; c is die ultrasoniese golfspoed (om die beskrywing te vereenvoudig, word die invloed van temperatuur op die golfspoed nie in ag geneem wanneer dit die afstand meet wat hieronder bespreek word nie; t is die tydinterval vanaf emissie tot ontvangs.

 

Want om afstand met ultraklank te meet is nie 'n puntmeting nie. Ultrasoniese sensors het sekere diffusie-eienskappe. Die uitgestraalde ultrasoniese energie is hoofsaaklik gekonsentreer op die hooflob, en verswak in 'n golfagtige vorm aan beide kante van die hoofgolf-as, met 'n diffusiehoek van ongeveer 30 ° links en regs. Trouens, die berekeningsmetode van formule oor tyd is gebaseer op die suksesvolle, vertikale refleksie van ultrasoniese golwe. Dit is egter moeilik vir 'n mobiele robot om die stabiliteit van sy eie bewegingshouding te verseker. Die opsporingsmetode wat 'n ultrasoniese sensor op die liggaam van die mobiele robot vasgemaak word, word gebruik. Wanneer die mobiele robot van 'n parallelle muur afwyk, is die opsporingstelsel dikwels moeilik om die werklike afstand te verkry. Daarbenewens, wanneer die divergensie-kenmerk van ultraklank gebruik word om hindernisse te meet, kan dit slegs die afstandinligting van die teikenhindernis verskaf, maar nie die rigting- en grensinligting van die teiken nie. Hierdie gebreke beperk die praktiese toepassing en bevordering van ultrasoniese sensors grootliks.

 

Gebaseer op teoretiese analise en deurlopende toetsing, gebruik hierdie vraestel 'n vierfase-stapmotor om 'n enkele geïntegreerde ultrasoniese sensor aan te dryf om te draai om 'n dinamiese waarnemingstelsel te vorm.

 

2 Opsporingstelsel bestaan ​​uit geïntegreerde ultrasoniese sensor en stapmotor

 

2.1 Strukturele ontwerp

 

Die ultrasoniese sensor word op die PCB-bord vasgesweis, die bord is opgebou deur 'n staalpyp, en die ander kant van die staalpyp is aan die as van die stapmotor gekoppel, en die stapmotor is onder die robotonderstel vasgemaak. Die ultrasoniese sensor beheersein en uitsetsein wat deur die seinlyn aan die beheerbord op die voertuigbak gekoppel is. Daarbenewens word 'n keëlvormige mou gemaak van skuimmateriaal voor die sonde van die ultrasoniese sensor bygevoeg, die deursnee van die boonste mond is 22 mm, die deursnee van die ondermond is 16 mm, en die hoogte is 20 mm. Op hierdie manier word die straalhoek van die oorgedra golf en die hoek waarteen die gereflekteerde golf ontvang word, grootliks beperk. Ten einde die robot sy postuur aan te pas, moet dit sy eie rotasierigting en verwysingsposisie bepaal. Daarom word 'n eenvoudige foto-elektriese enkodeerder saamgestel uit 'n direkte infrarooi foto-elektriese sensor en 'n draaitafel deur onsself gemaak. Die verspreiding van 2 direkte infrarooi foto-elektriese sensors word getoon en hulle is horisontaal gerangskik op die middelpuntverbindingslyn aan beide kante van die robotmotorbak met 180 ° -intervalle. Die draaitafel en die roterende arm is op 'n konsentriese sirkel verbind, soos getoon deur die buitenste sirkel in die figuur, die 1, 3 skaallyne word geskei deur 27 ° ; die 2, 1-skaallyne word met 180 ° geskei , en die 1-skaallyn en die middelpunt van die ultrasoniese sensor word op dieselfde horisontale lyn gehou. I alleen-geleiding word as die verwysingskoördinaat gebruik, I en II word gelyktydig gelei om die rotasierigting te bepaal, en Ⅱ enkelgang word as die navigasieverwysing gebruik wanneer die robot langs die muur terugkeer.

 

Die geïntegreerde ultrasoniese sensor word aangedryf om te draai deur 'n stapmotor, en die rigting van die ultrasoniese sensor se sentrale as loodreg op die robotliggaam word gebruik as die koördinaatverwysing vir sy eie postuuraanpassing. Die stapmotor neem 'n 4-fase 4-slag staphoek van 1,8 ° aan , en 1 stap per omwenteling, Die ultrasoniese sensor bespeur een keer, en stuur die meetwaarde na die boonste rekenaar deur die seriële poort.

 

2.2 Bespeuringstelsel hardeware ontwerp

 

Die opsporingstelsel hardeware is hoofsaaklik saamgestel uit ultrasoniese opwekking stroombaan, ultrasoniese ontvangs stroombaan, stapmotor spoed beheer module, ens. Die kern van die stelsel is die enkel-chip, wat hoofsaaklik voltooi die sein oordrag en ontvangs, beheer die stap motor, en stuur data na die robot gasheer rekenaar vir verwerking.

 

Die ultrasoniese senderkring gebruik die P11-poort van die enkelskyfie om die senderpuls uit te voer, en word deur die 74HC04 aangedryf om die ultrasoniese sensor aan te sluit. Hulle verbeter sy uitsetstroomvermoë en verhoog die transmissieafstand van die ultrasoniese sensor.

 

Die ultrasoniese ontvangs- en verwerkingkring neem 'n geïntegreerde stroombaan aan. dit is 'n toegewyde geïntegreerde stroombaan vir infrarooi ontvangers. Hier word CX20106 as 'n versterker- en opsporingstoestel gebruik om seine van ultrasoniese sensors te ontvang, en goeie resultate is ook behaal. Nadat die voorversterker die gereflekteerde sein van die ultrasoniese ontvangsonde ontvang het, versterk dit die sein met 'n spanningswins van ongeveer 80 dB. Dan word die sein na die beperkende versterker gestuur om dit in 'n reghoekige puls te maak, en dan word die frekwensie deur die filter gekies om die interferensiesein uit te filter, die drafrekwensie word deur die detektor uitgefiltreer om die opdragsein op te spoor, en na vorming word dit deur pen 7 lae vlak uitgevoer. Die dalende rand van die pulsuitset vanaf pen 7 word ingevoer deur die INT0-poort van die mikrobeheerder.

 

Die senderkring en die ontvangerkring van die geïntegreerde ultrasoniese sensor gebruik dieselfde sensorpeninvoer/uitset. As die inset/uitset nie geïsoleer is nie, sal die ontvangerkring en die senderkring grootliks beïnvloed word. Die CMOS tweerigting analoog skakelaar word gebruik om die transmissie en ontvangs isolasie te realiseer. Die stapmotorbeheermodule neem die beheermodus van ringpulsverdeler L297 + dubbel H-brug krag geïntegreerde stroombaan L298 aan. P1.6, P1.7 en P2.3 van die enkelskyfie-mikrorekenaar is onderskeidelik gekoppel aan die CW, klok, en stel beheerterminale van L297 in staat om die vorentoe en agtertoe rotasie, kloksein, aansit en stop van die motor te beheer.

 

2.3 Opsporingstelsel sagteware ontwerp

Die sagteware van die opsporingstelsel bestaan ​​hoofsaaklik uit 'n hoofprogrammodule, 'n onderbrekingsdiensprogrammodule, en 'n ultrasoniese sensor het 'n stuur- en ontvangmodule. Die hoofprogrammodule van die opsporingstelsel word hoofsaaklik hier verduidelik.

 

Ultrasoniese sensor- en stapmotormetings- en beheermodules word deur verskillende enkelskyfie-mikrorekenaars beheer, dus moet die waarnemingstelsel en die boonste rekenaar van die mobiele robot staatmaak op die I/O-poortlyn en seriële asynchrone kommunikasie tussen die enkelskyfiemikrorekenaars. Die vlag T word gebruik om aksies te verander. Wanneer T=0 en OFF=0 terselfdertyd bevredig word, is dit 'n gewone opsporingsproses van ultrasoniese sensors; wanneer T=1, AF=0, word dit gebruik om die asimut voor elke siklusmeting aan te pas; OFF=1 Wag vir die volgende aksie. Die tydhouer T0 word gebruik om die tyd van die eggo te bereken, dus die afstandwaarde d=0.334 × (TH0 × 256+TL0)/2. een snellerpuls word aan die stapmotor gegee. Bepaal dan of die volgende aksie is om sensoropsporing te doen of om die asimuthoek van die robot self aan te pas, wat 'n nuwe siklus binnegaan.

 

3 Eksperiment en toepassing van opsporingstelsel op mobiele robot

3.1 Vind die naaste punt aan die muur

 

In hierdie vraestel is die ontwerpidee om die naaste punt aan die muur te vind gebaseer op ultrasoniese reeks. Kies die tydvlakafstandmetingsmetode en beperk die ontvangsbereik van die ultrasoniese sensor deur die ontvangsecho-drempel te stel en 'n klankabsorberende huls voor die sonde by te voeg. Die gemete straalhoek is ongeveer ± 20° by a

afstand van 75 cm, en die effektiewe hoek wat gereflekteerde golwe kan ontvang, is ongeveer ± 40°.

 

Die benaderde koniese straal van die ultrasoniese sensor bepaal die weerkaatsingsafstand van die naaste punt elke keer as dit die afstand meet. Selfs as die straalhoek na die stippellyn afwyk, is die werklike afstand steeds die waarde wat langs die straalmiddellyn gemeet word. Teoreties moet die afstand wat binne die uitsaaistraalhoek gemeet word dieselfde wees, maar die skoktyd van die ultrasoniese sensor en die instelling van die ontvangdrempel, insluitend die weerkaatsing van die muur, sal 'n sekere impak op die afstandmeting hê. Gemeet deur eksperimente, binne 'n sekere hoek (ongeveer ± 20° ), verander die meetafstandwaarde nie betekenisvol nie, en sy naburige waardes is relatief naby (nie meer as 2 mm). Wanneer die defleksiehoek aanhou toeneem, neem die veranderinge in aangrensende metingswaardes ook aansienlik toe. Daarom is een metode om hierdie twee kritieke punte te gebruik om die hoek tussen die balk en die muur te vind (dit is die naaste punt aan die muur), en die stapmotor dryf die ultrasoniese aan om te draai om hierdie twee kritieke punte te vind. Wanneer twee aangrensende waardes voortdurend onder 2 mm bespeur word, word dit beskou dat dit die stabiele sone binnegegaan het, en die punt waar die verandering voor en na plaasvind, word as die kritieke punt gestel. Alle punte binne hierdie kritieke punt word aangeteken, en dan word die middelpunt bereken. Die middelpunt is die naaste punt tussen die muur en die ultrasoniese sensor. dit wys 'n stel gemete data. Binne 72 °～ 108° is dit die stabiele area van afstandmeting. Buite hierdie, oorskry die aangrensende afwyking van die gemete afstand 8 mm, en met die hoek sal dit verder vergroot word as dit na beide kante gedraai word. Eksperimente is uitgevoer deur die afstand tussen die geïntegreerde ultrasoniese sensor en die muur binne 50 cm en 200 cm te verander. Gevolglik is die gemete fout van die vertikale hoek na die muur beperk tot 2 traphoeke.

 

3.2 Die opsporingstelsel word op die robot toegepas om langs die muur te navigeer

 

Outonome mobiele robotte bespeur inligting oor die huidige omgewing tydens beweging. Die afstandinligting wat elke keer opgespoor word, word gemeet op die uitgangspunt van die huidige robotbewegingshouding. Terwyl hy in 'n reguit lyn langs die muur loop, waarborg die robot die akkuraatheid van sy trajek deur die gesamentlike persepsie van afstandmeting en sy eie postuur. Ultrasoniese afstandmeting is wyd gebruik. Nadat die verhouding tussen ultrasoniese opsporingshoek en afstandmeting getoets is, kan ultrasoniese sensors gebruik word om die asimuthoek van die voertuigbak te meet (om sy eie postuur te bepaal) volgens die metode om die naaste punt te bereken. Die gemete naaste punt is die werklike afstand tussen die robot en die muur. Die verwysingskoördinate van die robot word bepaal deur die direkte infrarooi sensor 1 op die eenvoudige enkodeerder, en die naaste punt word bereken volgens die inligting wat tydens elke stap van die stapmotor gestoor is. Tussen die verwysingskoördinate en die naaste punt word die hoek wat deur die stapmotor deurkruis word gebruik om die defleksiehoek tussen die robot en die muur te bepaal, en dan word die defleksiehoek na die wielaandrywingbeheerstelsel oorgedra om die asimuthoek aan te pas.

 

3.3 Soek vir struikelblokke

 

Die gebruik van 'n stapmotor om die aan te dryf industriële ultrasoniese sensor

 om te draai is funksioneel soortgelyk aan multi-sensor opsporing. Mobiele robotte gebruik gewoonlik veelvuldige ultrasoniese sensors om die liggaam om meer inligting te bekom en sodoende die reeks hindernisse te vergroot en teikenrigting en grensinligting te bepaal. Daarteenoor is een voordeel van die rotasiemetode dat die opsporingsdigtheid outomaties aangepas kan word volgens die styfheid van die hindernis. Die aantal bykomende sensors word beperk deur sy eie toestande, en die styfheid van die rotasiemetode hou slegs verband met die staphoek van die stapmotor. Die verhoging van die opsporingsdigtheid kan die resolusie van die hoek aansienlik verbeter en sodoende die bepaling van die teikenrigting en grensinligting versterk.

 

Hierdie stelsel is 'n uitbreiding van die funksie van die ultrasoniese nabyheidssensor en 'n goeie aanvulling tot die bestaande opsporingstelsel van mobiele robotte. Dit is ten volle gedemonstreer in eksperimentele toepassings, en dit het sekere praktiese toepassings in hindernisopsporing en robotposisie-aanpassing. Hierdie metode moet egter intyds en akkuraatheid verder verbeter word.