تحليل تطبيق مستشعر الموجات فوق الصوتية في نظام المسافة للروبوت المتنقل

أنا. مقدمة

في عملية تجنب العوائق في الوقت الفعلي وتخطيط المسار للروبوتات المتنقلة المستقلة، يجب أن يعتمد الروبوت على الحصول على المعلومات البيئية الخارجية، والشعور بوجود العوائق، وقياس مسافة العوائق. في الوقت الحاضر، تشتمل أجهزة استشعار تجنب عوائق الروبوتات وأجهزة استشعار المدى على أجهزة استشعار تعمل بالأشعة تحت الحمراء والموجات فوق الصوتية والليزر وأجهزة الاستشعار البصرية. أجهزة استشعار الليزر وأجهزة الاستشعار البصرية باهظة الثمن وتتطلب متطلبات عالية لوحدات التحكم. لذلك، الأشعة تحت الحمراء و محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية في الغالب في أنظمة الروبوتات المتنقلة. تستخدم

تستخدم معظم الأنظمة مستشعرًا واحدًا لجمع المعلومات، ولكن بسبب مشكلة قياس النقاط العمياء، يتراوح نطاق أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بشكل عام بين 30 و300 سم؛ في حين أن مسافة الكشف عن أجهزة الاستشعار عن بعد بالأشعة تحت الحمراء قصيرة، بشكل عام في حدود عشرات السنتيمترات. وإلى حد ما، يمكن أن يعوض عن أوجه القصور في أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية التي لا يمكن قياسها من مسافة قريبة. ولذلك، يستخدم هذا النظام أجهزة استشعار متعددة تعمل بالأشعة تحت الحمراء والموجات فوق الصوتية لقياس وجمع معلومات المسافة.

2. مبدأ وطريقة النطاق

(1) مستشعر الموجات فوق الصوتية
يشير الموجات فوق الصوتية إلى موجات صوتية ذات تردد رنين أعلى من 20 هرتز. كلما زاد التردد، زادت قدرة الانعكاس. أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية غير مكلفة، ولا يتأثر أدائها إلا بالضوء والغبار والدخان والتداخل الكهرومغناطيسي، ويمكن أن تعكس المعادن والخشب والخرسانة والزجاج والمطاط والورق ما يقرب من 100٪ من الموجات فوق الصوتية، لذلك يمكن استخدامها للكشف عن الأشياء.
طريقة قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية هي طريقة الكشف عن الصدى. يقوم محول الإرسال بإصدار نبضات صوتية بشكل مستمر. بعد أن تواجه الموجة الصوتية العائق، تنعكس مرة أخرى ويستقبلها محول الطاقة المستقبل. يتم حساب مسافة العائق وفقًا لسرعة الصوت وفارق التوقيت. يتم التعبير عن العلاقة بين المسافة وسرعة الصوت والوقت.

(2) طرق تحسين دقة محول المدى بالموجات فوق الصوتية
1. استخدم التردد والطول الموجي المناسبين: استخدام محول طاقة بالموجات فوق الصوتية عالي الطاقة لقياس المسافة، التردد منخفض جدًا؛ تدخل الضوضاء الخارجية أكثر. التردد مرتفع للغاية، والتوهين كبير أثناء عملية الانتشار. بالإضافة إلى ذلك، فإن المستشعر بالموجات فوق الصوتية عرضة لتوليد نقاط عمياء أثناء عملية القياس، ويكون الطرف المتلقي عرضة لاستقبال موجات متسربة. لتحسين هذا القصور، من الضروري تقليل طول سلسلة الموجة المرسلة وزيادة تردد الموجة المرسلة. ومع ذلك، إذا كان طول سلسلة الموجة المرسلة قصيرًا جدًا، فلا يمكن إثارة محول الطاقة المرسل أو أن الاهتزاز المثار لا يصل إلى القيمة القصوى؛ إذا كان تردد الموجة المرسلة مرتفعًا جدًا، يكون التوهين كبيرًا، وتنخفض مسافة العمل. أظهرت الاختبارات أن استخدام الموجات فوق الصوتية بتردد 40 كيلو هرتز لنقل مجموعة النبض يحتوي على 10-20 نبضة وله أداء انتشار جيد.

2. تحسين دقة توقيت النظام يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تحسين دقة محول المسافة بالموجات فوق الصوتية. كلما زاد تردد العد للمؤقت، قل خطأ النطاق بسبب خطأ تكميم الوقت.

3. إن تعويض التأخير الزمني لدائرة النظام يمكن أن يقلل من خطأ النطاق ويحسن دقة النطاق. في الصيغة، △ t هو وقت التأخير، s؛ s1، s2 هما مسافتان قياس معروفتان، m؛ t1، t2 هي وقت القياس المقابل، s.

(3) مستشعر تجنب العوائق بالأشعة تحت الحمراء
الأشعة تحت الحمراء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية بين الضوء المرئي والميكروويف. ولذلك، فهو لا يتمتع فقط بخصائص الانتشار الخطي للضوء المرئي، والانعكاس، والانكسار، وما إلى ذلك، ولكن لديه أيضًا خصائص معينة للموجات الدقيقة، مثل الاختراق القوي والقدرة على اختراق بعض المواد المعتمة وما إلى ذلك. يشتمل مستشعر الأشعة تحت الحمراء على جهاز انبعاث الأشعة تحت الحمراء وجهاز استقبال الأشعة تحت الحمراء. جميع الأجسام في الطبيعة سوف تشع الأشعة تحت الحمراء طالما أن درجة الحرارة أعلى من الصفر المطلق. ولذلك، يجب أن تتمتع أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء بقدرات إرسال واستقبال أقوى.

المبدأ الأساسي لنطاق مستشعر الموجات فوق الصوتية بالأشعة تحت الحمراء هو أن الأنبوب الباعث للضوء ينبعث ضوء الأشعة تحت الحمراء، وأنبوب الاستقبال الحساس للضوء يستقبل الضوء المنعكس للكائن الموجود أمامه، ثم يحكم على ما إذا كان هناك عائق أمامه. يمكن الحكم على مسافة الجسم وفقًا لشدة الضوء المنبعث. مبدأها هو أن شدة الضوء التي يستقبلها أنبوب الاستقبال تختلف باختلاف مسافة الجسم العاكس. شدة الضوء المنعكسة قريبة من المسافة، وشدة الضوء المنعكسة بعيدة.

في الوقت الحاضر، يحتوي المفتاح الكهروضوئي بالأشعة تحت الحمراء، وهو أحد أجهزة الاستشعار الأكثر استخدامًا، على تردد إرسال يبلغ حوالي 38 كيلو هرتز ومسافة كشف قصيرة نسبيًا. يتم استخدامه عادةً للتعرف على عوائق المسافات القصيرة. يستخدم هذا النظام هذا النوع من أجهزة الاستشعار.

(4) عيوب قياس مسافة الأشعة تحت الحمراء
يتأثر بخصائص الجهاز، فالمفتاح الكهروضوئي العام بالأشعة تحت الحمراء لديه مقاومة ضعيفة للتدخل ويتأثر بشكل كبير بالضوء المحيط؛ ويختلف لون الجسم المكتشف ونعومة السطح، وستكون شدة ضوء الأشعة تحت الحمراء المنعكسة مختلفة.

ثالثا، هيكل نظام الأجهزة

(1) تكوين النظام
يتكون نظام قياس المسافة من حاسوب صغير أحادي الشريحة، دائرة إرسال واستقبال بالموجات فوق الصوتية، دائرة إرسال واستقبال بالأشعة تحت الحمراء، دائرة عرض رقمية ودائرة اتصال تسلسلي. قلب التحكم هو متحكم Lingyang 16 بت SPCE061 A. يوجد مؤقتان / مؤقتان قابلان للبرمجة 16 بت، 14 مصدر مقاطعة، قنوات إدخال / إخراج عالمية قابلة للبرمجة 32 بت، و7 قنوات 10 بت A / د على الشريحة. محول.

(2) دائرة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية
يتم توصيل منفذ I / O9-I / O11 الخاص بـ Lingyang MCU بدائرة الإرسال بالموجات فوق الصوتية ثلاثية الاتجاهات، ويتم توصيل I / O3-I / O5 بدائرة الاستقبال بالموجات فوق الصوتية ثلاثية الاتجاهات. يتم إخراج محول الإشارة 40 كيلو هرتز الناتج عن الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة عن طريق الإدخال / الإخراج، ويتم تعزيزه بواسطة دائرة مكبر الصوت المعزز المكونة من العاكس 4049B. وأخيرا، يتم نقله عن طريق محول الإرسال بالموجات فوق الصوتية UCM40T؛ تعود موجة الصوت إلى العائق ويتم استقبالها بواسطة محول الطاقة المتلقي UCM40R، يتم تضخيم الإشارة بواسطة دائرة مكبر للصوت ذات مرحلتين تتكون من OP07، يتم تحديد التردد بواسطة وحدة فك ترميز الصوت ذات الحلقة المقفلة الطور LM567، وتصفية إشارات التداخل، وأخيرًا، الإدخال في كمبيوتر صغير أحادي الشريحة من خلال منفذ الإدخال / الإخراج. يقوم الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة بحساب مسافة العائق خلال وقت إرسال الموجة الصوتية.

(3) دائرة مستشعر الأشعة تحت الحمراء
يمكن استخدام I / O0 ～ I / O6 الخاص بـ Lingyang MCU كمحول A / D 10 بت. في هذا النظام، يتم استخدام منافذ I / O0 ～ I / O2 الخاصة بـ Lingyang MCU كمحولات A / D. يتم توصيل I / O6 ～ I / O8 بثلاث دوائر إرسال للأشعة تحت الحمراء، ويتم توصيل I / O0 ～ I / O2 بثلاثة أجهزة استقبال للأشعة تحت الحمراء مع الدائرة. عندما يقوم منفذ الإدخال / الإخراج الخاص بالكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة بإخراج مستوى عالٍ، فإنه يقوم بالتوصيل باستخدام أنبوب الإنارة بالأشعة تحت الحمراء TLN205 وينبعث ضوء الأشعة تحت الحمراء؛ تنعكس موجة الضوء بعد مواجهة عائق ويتم استقبالها بواسطة أنبوب استقبال الأشعة تحت الحمراء TPS708، مما يولد تيارًا يتوافق مع شدة الضوء. بعد تضخيم دائرة التضخيم المكونة من مرحلتين، فإنها تنتج جهدًا تناظريًا يبلغ 0 ~ 3 فولت، والذي يتم إدخاله إلى الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة من خلال منفذ A / D. يقوم الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة بحساب مسافة العائق والحكم عليها من خلال حجم الجهد.

4. تصميم البرمجيات
يختار الكمبيوتر ذو الشريحة الواحدة SPCE061 A تردد تردد النظام fosc = 20.480 ميجا هرتز، وتردد ساعة وحدة المعالجة المركزية (CPUCLK) هو fosc / 2 = 10.24 ميجا هرتز، ويختار مصدر الساعة التردد 32768 هرتز، ويختار مصدر الساعة التردد 1 هرتز، ويوفر SPCE061A توقيت/عداد 216 بت: TimerA وTImerB. يتم تشكيل مصدر الساعة لـ TImerA من خلال عمليات مصدر الساعة A ومصدر الساعة B؛ مصدر الساعة لـ TImerB هو مصدر الساعة A فقط.
النبض بالموجات فوق الصوتية 40 كيلو هرتز عبارة عن موجة مربعة ذات مستويات عالية ومنخفضة يشغل كل منها 12.5 ميكروثانية. يتم تأخير عدد ساعات وحدة المعالجة المركزية بمقدار 123 دورة تعليمات، أي 12.5 ميكروثانية. يمكن للكمبيوتر أحادي الشريحة توليد إشارة نبضية تبلغ 40 كيلو هرتز عن طريق توليد مستويات عالية ومنخفضة بشكل مستمر تبلغ 12.5 ميكروثانية. يتم إصدار مجموعة نبض مكونة من 20 نبضة في كل مرة لمدة 0.5 مللي ثانية، ويبلغ انبعاث النبض والفاصل الزمني 20 مللي ثانية على الأقل، وهو الإخراج من منفذ الإدخال / الإخراج. . يختار النظام المؤقت A كمقاطعة مؤقت تبلغ 20 مللي ثانية والمؤقت B كعداد بالموجات فوق الصوتية. لأن جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لديه قياس المنطقة الميتة، في تصميم البرنامج، يتم إكمال قياس المسافة لأكثر من 30 سم بواسطة جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية، ويكتمل جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء في غضون 30 سم.

في عملية نطاق الأشعة تحت الحمراء، يتم استخدام المؤقت A لإنشاء مقاطعة 0.1S لأخذ عينات A/D، ويتم تحويل قيمة الجهد إلى معلومات المسافة. في البرنامج الرئيسي، أولاً، أدخل الروتين الفرعي للكشف عن الأشعة تحت الحمراء. إذا تم اكتشاف عائق، أدخل الإجراء الفرعي لنقل البيانات والعرض والتحكم في الحركة؛ إذا لم يتم الكشف عن أي عائق، أدخل في روتين الكشف بالموجات فوق الصوتية. تكتشف الموجات فوق الصوتية العوائق، ثم تدخل في الإجراءات الفرعية لنقل البيانات وعرضها والتحكم في الحركة. إذا لم يتم الكشف عن أي عوائق، يتم إجراء الكشف بالأشعة تحت الحمراء دوريًا في الإجراءات الفرعية للكشف عن الأشعة تحت الحمراء والموجات فوق الصوتية، على التوالي.

V. نتائج القياس
أثناء الاختبار، يتم استخدام عوائق من نفس الحجم والملمس واللون للقياس. أظهرت الاختبارات أن دقة النظام تتراوح في حدود 1% من 0 إلى 200 سم، مما يمكنه قياس مسافة العوائق بدقة. يتم قياس المسافة ضمن 30 سم بواسطة أجهزة استشعار تعمل بالأشعة تحت الحمراء، ويتم قياس المسافة بين 30 و 200 سم بواسطة أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية.

6. الاستنتاج
تدرس هذه الورقة نظام المسافة الجانبية للروبوت المتنقل منخفض التكلفة ومنخفض الطاقة وعالي الأداء، وهو نظام متعدد أجهزة الاستشعار يستخدم أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية والأشعة تحت الحمراء، والذي يحل بشكل فعال مشكلة قياس النقاط العمياء في نظام استشعار واحد. يتم تجميع مجموعات المستشعرات الثلاثة في ثلاثة مواقع مختلفة للروبوت، حتى يتمكن الروبوت من إكمال المهام المتنوعة في ثلاثة اتجاهات مختلفة.