نظام الكشف عن الروبوت المتنقل المستقل المعتمد على مستشعر الموجات فوق الصوتية

يعد امتداد جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية مكملاً جيدًا لنظام الكشف الحالي للروبوتات المحمولة. لقد تم إثباته بشكل كامل في التطبيقات التجريبية، ولديه بعض التطبيق العملي في اكتشاف العوائق وتعديل وضعية الروبوت. ومع ذلك، تحتاج هذه الطريقة إلى مزيد من التحسين في الوقت الحقيقي والدقة.

 

واحدة من أهمها للروبوتات مستشعر المستوى بالموجات فوق الصوتية المتنقلة لاكتساب سلوك مستقل هو اكتساب المعرفة حول البيئة. ويتم تحقيق ذلك عن طريق استخدام قياسات مختلفة لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية واستخراج المعلومات من تلك القياسات. تم استخدام أجهزة الاستشعار مثل الرؤية والأشعة تحت الحمراء والليزر والموجات فوق الصوتية في الروبوتات المتنقلة. تم استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في أنظمة استشعار الروبوتات المتنقلة نظرًا لأدائها العالي التكلفة وتنفيذ الأجهزة البسيط. ومع ذلك، فإن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لها أيضًا قيود معينة، ويرجع ذلك أساسًا إلى زاوية الشعاع الكبيرة، وضعف الاتجاه، وعدم استقرار قياس المسافة (في ظل الانعكاس غير الرأسي). لذلك، غالبًا ما يتم استخدام أجهزة استشعار متعددة بالموجات فوق الصوتية أو أجهزة استشعار أخرى للتعويض. من أجل تعويض أوجه القصور في جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية نفسه وتحسين قدرته على الحصول على المعلومات البيئية، تصمم هذه الورقة نظام كشف يتكون من جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية متكامل ومحرك متدرج.

 

1 تحليل مبدأ الكشف وطريقة أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

 

المبدأ الأساسي لجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هو إرسال حزم موجات الضغط (فوق الصوتية) وقياس الوقت المستغرق لنقل حزم الموجات وإعادتها إلى جهاز الاستقبال.

 

من بينها المسافة بين الهدف ومستشعر الموجات فوق الصوتية. c هي سرعة الموجات فوق الصوتية (من أجل تبسيط الوصف، لا يؤخذ تأثير درجة الحرارة على سرعة الموجة في الاعتبار عند قياس المسافة الموضحة أدناه؛ t هو الفاصل الزمني من الانبعاث إلى الاستقبال.

 

لأن قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية ليس قياس نقطة. أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لها خصائص انتشار معينة. تتركز طاقة الموجات فوق الصوتية المنبعثة بشكل أساسي على الفص الرئيسي، وتضعف على شكل موجة على جانبي محور الموجة الرئيسي، بزاوية انتشار تبلغ حوالي 30 درجة يسارًا ويمينًا. في الواقع، تعتمد طريقة حساب الصيغة بمرور الوقت على الانعكاس العمودي الناجح للموجات فوق الصوتية. ومع ذلك، فمن الصعب على الروبوت المتنقل أن يضمن استقرار وضعية حركته. يتم استخدام طريقة الكشف التي يتم فيها تثبيت جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية على جسم الروبوت المتنقل. عندما ينحرف الروبوت المتنقل عن جدار موازٍ، غالبًا ما يكون من الصعب على نظام الكشف الحصول على المسافة الفعلية. بالإضافة إلى ذلك، عند استخدام خاصية الاختلاف للموجات فوق الصوتية لقياس العوائق، يمكنها فقط توفير معلومات المسافة الخاصة بالعائق المستهدف، ولكن ليس معلومات الاتجاه والحدود الخاصة بالهدف. هذه العيوب تحد بشكل كبير من التطبيق العملي والترويج لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية.

 

استنادًا إلى التحليل النظري والاختبار المستمر، تستخدم هذه الورقة محركًا متدرجًا رباعي الطور لتشغيل مستشعر بالموجات فوق الصوتية متكامل واحد ليدور ليشكل نظام استشعار ديناميكي.

 

2 يتكون نظام الكشف من مستشعر بالموجات فوق الصوتية المتكامل ومحرك متدرج

 

2.1 التصميم الهيكلي

 

يتم لحام مستشعر الموجات فوق الصوتية على لوحة PCB، ويتم بناء اللوحة بواسطة أنبوب فولاذي، ويتم توصيل الطرف الآخر من الأنبوب الفولاذي بعمود المحرك المتدرج، ويتم تثبيت المحرك المتدرج أسفل هيكل الروبوت. إشارة التحكم بالمستشعر بالموجات فوق الصوتية وإشارة الإخراج المتصلة بلوحة التحكم الموجودة على جسم السيارة من خلال خط الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، يتم إضافة غلاف مخروطي الشكل مصنوع من مادة رغوية أمام مسبار مستشعر الموجات فوق الصوتية، ويبلغ قطر الفم العلوي 22 ملم، وقطر الفم السفلي 16 ملم، والارتفاع 20 ملم. وبهذه الطريقة، يتم تقييد زاوية شعاع الموجة المرسلة والزاوية التي يتم عندها استقبال الموجة المنعكسة بشكل كبير. لكي يتمكن الروبوت من ضبط وضعه، فإنه يحتاج إلى تحديد اتجاه الدوران والموضع المرجعي الخاص به. لذلك، تم تصنيع جهاز تشفير كهروضوئي بسيط يتكون من مستشعر كهروضوئي مباشر يعمل بالأشعة تحت الحمراء وقرص دوار بأنفسنا. يظهر توزيع مستشعرين كهروضوئيين مباشرين يعملان بالأشعة تحت الحمراء ويتم ترتيبهما أفقيًا على خط توصيل النقطة الوسطى على جانبي جسم السيارة الروبوتية بفواصل زمنية تبلغ 180 درجة . القرص الدوار والذراع الدوار متصلان بدائرة متحدة المركز، كما هو موضح في الدائرة الخارجية في الشكل، ويفصل بين خطوط المقياس 1، 3 بمقدار 27 درجة ؛ يتم فصل خطوط المقياس 2,1 بمقدار 180 درجة ، ويتم الاحتفاظ بخط المقياس 1 ومركز مستشعر الموجات فوق الصوتية على نفس الخط الأفقي. يتم استخدام التوصيل I وحده كإحداثي مرجعي، ويتم توجيه I وII في نفس الوقت لتحديد اتجاه الدوران، ويتم استخدام تمرير فردي Ⅱ كمرجع تنقل عندما يعود الروبوت على طول الجدار.

 

يتم تشغيل مستشعر الموجات فوق الصوتية المتكامل للتدوير بواسطة محرك متدرج، ويتم استخدام اتجاه المحور المركزي لجهاز استشعار الموجات فوق الصوتية المتعامد مع جسم الروبوت كمرجع إحداثي لتعديل الوضع الخاص به. يعتمد المحرك المتدرج زاوية خطوة 4 مراحل 4 نبضات تبلغ 1.8 درجة ، وخطوة واحدة لكل ثورة، ويكتشف المستشعر بالموجات فوق الصوتية مرة واحدة، ويرسل قيمة القياس إلى الكمبيوتر العلوي من خلال المنفذ التسلسلي.

 

2.2 تصميم أجهزة نظام الكشف

 

تتكون أجهزة نظام الكشف بشكل أساسي من دائرة توليد بالموجات فوق الصوتية، ودائرة استقبال بالموجات فوق الصوتية، ووحدة التحكم في سرعة محرك السائر، وما إلى ذلك. جوهر النظام هو شريحة واحدة، والتي تكمل بشكل أساسي إرسال الإشارة واستقبالها، وتتحكم في المحرك المتدرج، وتنقل البيانات إلى الكمبيوتر المضيف للروبوت للمعالجة.

 

تستخدم دائرة إرسال الموجات فوق الصوتية منفذ P11 للرقاقة الواحدة لإخراج نبض جهاز الإرسال، ويتم تشغيلها بواسطة 74HC04 لتوصيل مستشعر الموجات فوق الصوتية. إنها تعزز قدرتها الحالية على الإخراج وتزيد من مسافة الإرسال لجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية.

 

تعتمد دائرة الاستقبال والمعالجة بالموجات فوق الصوتية على دائرة متكاملة. وهي عبارة عن دائرة متكاملة مخصصة لأجهزة استقبال الأشعة تحت الحمراء. هنا يتم استخدام CX20106 كجهاز تضخيم وكشف لاستقبال الإشارات من أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية، كما تم تحقيق نتائج جيدة. بعد أن يستقبل المضخم الأولي الإشارة المنعكسة من مسبار الاستقبال بالموجات فوق الصوتية، فإنه يقوم بتضخيم الإشارة بكسب جهد يبلغ حوالي 80 ديسيبل. ثم يتم إرسال الإشارة إلى مكبر الصوت المحدد لتحويلها إلى نبضة مستطيلة، ثم يتم تحديد التردد بواسطة المرشح لتصفية إشارة التداخل، ويتم تصفية تردد الموجة الحاملة بواسطة الكاشف للكشف عن إشارة الأمر، وبعد التشكيل، يتم إخراجها بواسطة دبوس 7 منخفض المستوى. يتم إدخال الحافة الساقطة لمخرج النبض من الدبوس 7 من خلال منفذ INT0 الخاص بوحدة التحكم الدقيقة.

 

تستخدم دائرة الإرسال ودائرة الاستقبال الخاصة بمستشعر الموجات فوق الصوتية المدمج نفس إدخال/إخراج دبوس المستشعر. إذا لم يتم عزل المدخلات والمخرجات، فسوف تتأثر دائرة الاستقبال ودائرة الإرسال بشكل كبير. يتم استخدام المفتاح التناظري ثنائي الاتجاه CMOS لتحقيق عزل الإرسال والاستقبال. تعتمد وحدة التحكم في المحرك المتدرج وضع التحكم لموزع النبض الحلقي L297 + الدائرة المتكاملة للطاقة ذات الجسر H المزدوج L298. يتم توصيل P1.6 وP1.7 وP2.3 للكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة على التوالي بـ CW والساعة وتمكين أطراف التحكم L297 من التحكم في الدوران الأمامي والخلفي وإشارة الساعة وبدء تشغيل المحرك وإيقافه.

 

2.3 تصميم برمجيات نظام الكشف

يتكون برنامج نظام الكشف بشكل أساسي من وحدة برنامج رئيسية، ووحدة برنامج خدمة المقاطعة، ومستشعر بالموجات فوق الصوتية يحتوي على وحدة إرسال واستقبال. تم شرح وحدة البرنامج الرئيسية لنظام الكشف هنا بشكل أساسي.

 

يتم التحكم في وحدات القياس والتحكم في أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية والمحرك السائر بواسطة أجهزة كمبيوتر صغيرة مختلفة ذات شريحة واحدة، لذلك يجب أن يعتمد نظام الاستشعار والكمبيوتر العلوي للروبوت المتنقل على خط منفذ الإدخال / الإخراج والاتصال التسلسلي غير المتزامن بين أجهزة الكمبيوتر الصغيرة ذات الشريحة الواحدة. يتم استخدام العلامة T لتبديل الإجراءات. عندما يتم استيفاء T=0 وOFF=0 في نفس الوقت، فهي عملية كشف عادية لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية؛ عندما T = 1، OFF = 0، يتم استخدامه لضبط السمت قبل كل قياس دورة؛ OFF=1 في انتظار الإجراء التالي. يتم استخدام المؤقت T0 لحساب وقت الصدى، وبالتالي فإن قيمة المسافة d=0.334 × (TH0 × 256+TL0)/2. يتم إعطاء نبضة زناد واحدة للمحرك السائر. ثم حدد ما إذا كان الإجراء التالي هو اكتشاف المستشعر أو ضبط زاوية السمت للروبوت نفسه، والذي يدخل في دورة جديدة.

 

3 تجربة وتطبيق نظام الكشف على الروبوت المتنقل

3.1 ابحث عن أقرب نقطة إلى الحائط

 

في هذا البحث، تعتمد فكرة التصميم لإيجاد أقرب نقطة إلى الجدار على قياس المدى بالموجات فوق الصوتية. اختيار طريقة قياس المسافة على المستوى الزمني، والحد من نطاق استقبال مستشعر الموجات فوق الصوتية عن طريق ضبط عتبة صدى الاستقبال وإضافة غلاف ممتص للصوت قبل المسبار. تبلغ زاوية الشعاع المقاسة حوالي ± 20° عند a

مسافة 75 سم، والزاوية الفعالة التي يمكنها استقبال الموجات المنعكسة تبلغ حوالي ± 40°.

 

يحدد الشعاع المخروطي التقريبي لمستشعر الموجات فوق الصوتية مسافة الانعكاس لأقرب نقطة في كل مرة يقيس المسافة. حتى لو انحرفت زاوية الشعاع إلى الخط المنقط، فإن المسافة الفعلية لا تزال هي القيمة التي يتم قياسها على طول الخط المركزي للشعاع. من الناحية النظرية، يجب أن تكون المسافة المقاسة داخل زاوية شعاع الإرسال هي نفسها، ولكن وقت صدمة مستشعر الموجات فوق الصوتية وإعداد عتبة الاستقبال، بما في ذلك انعكاس الجدار، سيكون لهما تأثير معين على قياس المسافة. تم قياسها بالتجارب، ضمن زاوية معينة (حوالي ± 20° )، لا تتغير قيمة مسافة القياس بشكل كبير، والقيم المجاورة لها قريبة نسبيًا (لا تزيد عن 2 مم). عندما تستمر زاوية الانحراف في الزيادة، فإن التغيرات في قيم القياس المجاورة تزداد أيضًا بشكل ملحوظ. لذلك، تتمثل إحدى الطرق في استخدام هاتين النقطتين الحرجتين للعثور على الزاوية بين الشعاع والجدار (أي أقرب نقطة إلى الجدار)، ويقوم المحرك السائر بتشغيل الموجات فوق الصوتية للدوران للعثور على هاتين النقطتين الحرجتين. عندما يتم اكتشاف قيمتين متجاورتين بشكل مستمر أقل من 2 مم، يتم اعتبار أنها دخلت المنطقة المستقرة، ويتم تعيين النقطة التي يحدث فيها التغيير قبل وبعد كنقطة حرجة. يتم تسجيل جميع النقاط ضمن هذه النقطة الحرجة، ومن ثم يتم حساب نقطة المنتصف. النقطة الوسطى هي أقرب نقطة بين الجدار ومستشعر الموجات فوق الصوتية. يعرض مجموعة من البيانات المقاسة. ضمن 72 °～ 108° ، هي المنطقة المستقرة لقياس المسافة. خارج هذا، يتجاوز الانحراف المجاور للمسافة المقاسة 8 مم، ومع الزاوية سيتم توسيعها بشكل أكبر عند تدويرها إلى كلا الجانبين. تم إجراء التجارب عن طريق تغيير المسافة بين مستشعر الموجات فوق الصوتية المدمج والجدار في حدود 50 سم و200 سم. ونتيجة لذلك، اقتصر الخطأ المقاس للزاوية العمودية على الجدار على زاويتين متدرجتين.

 

3.2 يتم تطبيق نظام الكشف على الروبوت للتنقل على طول الجدار

 

تكتشف الروبوتات المتنقلة المستقلة معلومات حول البيئة الحالية أثناء الحركة. يتم قياس معلومات المسافة المكتشفة في كل مرة على أساس وضعية حركة الروبوت الحالية. أثناء المشي في خط مستقيم على طول الجدار، يضمن الروبوت دقة مساره من خلال الإدراك المشترك لقياس المسافة ووضعيته. وقد تم استخدام قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع. بعد اختبار العلاقة بين زاوية الكشف بالموجات فوق الصوتية وقياس المسافة، يمكن استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لقياس زاوية سمت جسم السيارة (لتحديد وضعها الخاص) وفقًا لطريقة حساب أقرب نقطة. أقرب نقطة تم قياسها هي المسافة الفعلية بين الروبوت والجدار. يتم تحديد الإحداثيات المرجعية للروبوت بواسطة مستشعر الأشعة تحت الحمراء المباشرة 1 الموجود على جهاز التشفير البسيط، ويتم حساب أقرب نقطة وفقًا للمعلومات المخزنة خلال كل خطوة من خطوات المحرك المتدرج. بين الإحداثيات المرجعية وأقرب نقطة، يتم استخدام الزاوية التي يجتازها المحرك السائر لتحديد زاوية الانحراف بين الروبوت والجدار، ومن ثم يتم نقل زاوية الانحراف إلى نظام التحكم في الدفع بالعجلات لضبط زاوية السمت.

 

3.3 البحث عن العقبات

 

استخدام محرك متدرج لقيادة السيارة جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية الصناعية

 للتدوير يشبه وظيفيًا اكتشاف أجهزة الاستشعار المتعددة. تستخدم الروبوتات المتنقلة عادةً أجهزة استشعار متعددة بالموجات فوق الصوتية حول الجسم للحصول على مزيد من المعلومات، وبالتالي زيادة نطاق العوائق وتحديد اتجاه الهدف ومعلومات الحدود. في المقابل، إحدى ميزات طريقة التدوير هي أنه يمكن تعديل كثافة الكشف تلقائيًا وفقًا لضيق العائق. يقتصر عدد أجهزة الاستشعار الإضافية على ظروفها الخاصة، ويرتبط ضيق طريقة الدوران فقط بزاوية الخطوة للمحرك السائر. يمكن أن تؤدي زيادة كثافة الكشف إلى تحسين دقة الزاوية بشكل كبير، وبالتالي تعزيز تحديد اتجاه الهدف ومعلومات الحدود.

 

ويعتبر هذا النظام امتداداً لوظيفة مستشعر القرب بالموجات فوق الصوتية ومكمل جيد لنظام الكشف الحالي للروبوتات المحمولة. لقد تم إثباته بشكل كامل في التطبيقات التجريبية، ولديه بعض التطبيق العملي في اكتشاف العوائق وتعديل وضعية الروبوت. ومع ذلك، تحتاج هذه الطريقة إلى مزيد من التحسين في الوقت الحقيقي والدقة.