تطبيق نظام المدى بالموجات فوق الصوتية في الروبوت المحمول

تُستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في أنظمة تجنب عوائق الروبوتات. استنادا إلى مبدأ قياس المدى بالموجات فوق الصوتية، تم تصميم نظام قياس مواز. يتم تقديم تكوين الأجهزة وطريقة تحقيق البرمجيات للنظام. سعيًا إلى معالجة ظاهرة سهولة إحداث النطاق المتوازي متعدد أجهزة الاستشعار للتداخل، تم تحليل سبب التداخل واقتراح حل فعال. يتم استخدام النظام في تجربة تجنب عوائق الروبوت المتنقل، ويتم تقديم نتائج المعايرة التجريبية لنطاق قياس النظام.

يستخدم جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لقياس المسافة على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب قياس المسافة مثل الروبوتات المتنقلة لتجنب العوائق والرادارات العكسية نظرًا لمزاياها المتمثلة في معالجة المعلومات البسيطة والسرعة العالية والسعر المنخفض. نظرًا لخصائص إشعاع الموجات فوق الصوتية، يستخدم نظام المدى متعدد المستشعرات الحالي إرسالًا دائريًا لتقليل توليد التداخل. تحتوي هذه الطريقة على نقطة عمياء كبيرة للمسافة، ولا يمكن ضمان الأداء في الوقت الفعلي. تعد بيانات القياس أيضًا مزعجة للمعالجة اللاحقة مثل تحديد موضع العوائق وتمييز الشكل. إنهم يصممون نظام نطاق بالموجات فوق الصوتية مع أجهزة استشعار متعددة تعمل بالتوازي. يتم استخدام النظام لتجارب تجنب العوائق على الروبوتات المتنقلة الذكية، ويتم الحصول على نتائج جيدة.

1 تصميم نظام المدى بالموجات فوق الصوتية

هناك طرق عديدة لقياس المسافة بالموجات فوق الصوتية. تعتمد هذه المقالة طريقة وقت الطيران، أي يتم حساب المسافة عن طريق قياس الوقت t للموجة فوق الصوتية من مستشعر الإرسال عبر وسط الانتشار إلى مستشعر الاستقبال. يمكن التعبير عن مبدأها بالصيغة L=vt/2، (L هي المسافة المراد قياسها؛ v هي سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء، وt هو وقت العبور). ترتبط سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء بدرجة حرارة البيئة، ويمكن تحسين دقة قياس المسافة من خلال تعويض درجة الحرارة.

1.1 تصميم دوائر الأجهزة

ويشمل بشكل أساسي الكمبيوتر العلوي، والمعالج، ودائرة مذبذب الموجات فوق الصوتية، ودائرة القيادة، وتضخيم الإشارة، ودائرة التشكيل والمقارنة.

يعتمد المعالج شريحة STC أحادية STC12C5410، المتوافقة مع سلسلة 51. يتحكم كل كمبيوتر صغير أحادي الشريحة في جهازي استشعار بالموجات فوق الصوتية من خلال مُضاعِف إرسال، الموجود في الجزء الأمامي والخلفي من الروبوت. تتمثل المهمة الرئيسية للكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة في قياس وقت العبور ودرجة الحرارة المحيطة وحساب مسافة العوائق. يتصل الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة بالكمبيوتر المضيف من خلال RS232. يقوم الكمبيوتر العلوي بتحليل البيانات المستلمة لتحديد العوائق والتحكم في حركة الروبوت.

تتكون دائرة إرسال الموجات فوق الصوتية من جزأين: دائرة التذبذب ودائرة القيادة. الدائرة المتأرجحة عبارة عن دائرة بسيطة تتكون من بوابة NAND ومقاوم ومكثف، يمكنها توليد إشارة موجة مربعة بتردد 40 كيلو هرتز لدفع مستشعر الموجات فوق الصوتية لإصدار موجات فوق صوتية؛ تولد دائرة القيادة نبضًا كهربائيًا بالموجات فوق الصوتية بقوة معينة لإثارة مستشعر الموجات فوق الصوتية، والذي يتكون من 6 بوابات NOT في تركيبة متوازية، وذلك باستخدام قدرة القيادة للرقاقة نفسها. بعد القيادة، تكون الإشارة النهائية المضافة إلى مستشعر الموجات فوق الصوتية عبارة عن موجة مربعة بسعة 5 فولت.

1.2 تصميم البرامج

في النظام، يجب أن يتحكم الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة في مؤقتين، أحدهما يستخدم لقياس وقت العبور، والآخر يستخدم لضبط معدل الباود للاتصال بين الشريحة الواحدة والكمبيوتر لضمان دقة الاتصال؛ التحكم في منفذ مقاطعة خارجي لمراقبة مستشعر الاستقبال بالموجات فوق الصوتية في الوقت الحقيقي سواء لتلقي إشارة الموجات فوق الصوتية المنعكسة ؛ استخدم I/O للتحكم في مستشعر الإرسال بالموجات فوق الصوتية لإصدار الموجات فوق الصوتية بتردد معين؛ باستخدام بروتوكول ناقل واحد للتحكم في الإدخال/الإخراج لقراءة قيمة درجة الحرارة التي تم جمعها. يحتاج الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة أيضًا إلى تلقي ومعالجة أوامر الكمبيوتر العلوي، وإرسال البيانات مرة أخرى إلى الكمبيوتر العلوي في الوقت الفعلي وفقًا لمتطلبات الكمبيوتر العلوي. 

ال تنقسم دائرة مستشعر محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية إلى ثلاثة أجزاء: تضخيم الإشارة والتشكيل والمقارنة. الإشارة التي يتلقاها مستشعر الاستقبال بالموجات فوق الصوتية ضعيفة جدًا، في مستوى الميليفولت، يجب تضخيم الإشارة قبل أن يتم اكتشافها بواسطة الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة. في هذا البحث، تم استخدام دوائر تضخيم ذات مرحلتين لتضخيم إجمالي 1000 مرة. يتم توصيل دوائر التضخيم ذات المرحلتين عن طريق اقتران المقاومة والسعة. يتدفق خرج الإشارة من مكبر الصوت إلى جهاز المقارنة بعد المرور عبر دائرة تشكيل مضاعف الجهد. يمكن أن يؤدي ضبط الجهد المرجعي لجهاز المقارنة إلى تغيير نطاق القياس ودقة القياس لنظام تحديد المدى. يتم توصيل إشارة خرج المقارنة بـ INT0 الخاص بالكمبيوتر الصغير ذي الشريحة الواحدة، مما يؤدي إلى مقاطعة الشريحة الواحدة.

يتم استخدام الاتصال متعدد أجهزة الكمبيوتر لنقل البيانات بين الكمبيوتر ذو الشريحة الواحدة والكمبيوتر المضيف. لا يحتوي جهاز الكمبيوتر على وحدة تحكم متعددة أجهزة الكمبيوتر، و 

تحتاج وحدة استشعار التباعد بالموجات فوق الصوتية إلى استخدام برنامج لمحاكاة بت TB8/RB8 للمتحكم الدقيق. خطوات إعداد بروتوكول الاتصال هي كما يلي:

1) قم بتعيين وحدة MCU لتكون في حالة مراقبة العنوان؛

2) يرسل الكمبيوتر مجموعة من بيانات العنوان ببت تكافؤ قدره 1؛

3) يحكم الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة على ما إذا كان العنوان المستلم هو نفس العنوان المحلي. إذا كان هو نفسه، فسيتم إرسال العنوان إلى المضيف لإنشاء اتفاقية مصافحة مع المضيف؛

4) بعد أن يتلقى المضيف العنوان، يرسل البيانات ببت تكافؤ قدره 0 لإعلام وحدة التحكم الدقيقة بإرسال معلومات المسافة؛

5) يرسل الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة بيانات المسافة. بعد الإرسال، ارجع إلى الخطوة لمواصلة مراقبة العنوان.

وتتمثل المهمة في إرسال مجموعة من أوامر الاستعلام إلى المنفذ التسلسلي كل 50 مللي ثانية وفقًا لبروتوكول الاتصال المحدد لقراءة معلومات المسافة التي يتم قياسها بواسطة الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة؛ تحديد موقع العائق من خلال تحليل معلومات مسافة القراءة، والحكم بشكل تقريبي على خصائص شكل العائق؛ اتخاذ الإجراءات اللازمة لتجنب العوائق والتحكم في تشغيل الروبوت وعرض مسار الجري. يحتوي البرنامج على واجهة مستخدم جيدة، مما يساعد على تصحيح أخطاء البرنامج.