Аналіз прымянення ультрагукавога датчыка ў сістэме адлегласці мабільнага робата

I. Уводзіны

У працэсе пазбягання перашкод у рэжыме рэальнага часу і планавання шляху для аўтаномных мабільных робатаў робат павінен абапірацца на атрыманне знешняй інфармацыі аб навакольным асяроддзі, адчуваць наяўнасць перашкод і вымяраць адлегласць да перашкод. У цяперашні час датчыкі робата для пазбягання перашкод і дальнасці ўключаюць інфрачырвоныя, ультрагукавыя, лазерныя і візуальныя датчыкі. Лазерныя датчыкі і візуальныя датчыкі дарагія і патрабуюць высокіх патрабаванняў да кантролераў. Такім чынам, інфрачырвоны і ультрагукавыя датчыкі ўзроўню ў асноўным выкарыстоўваюцца ў сістэмах мабільных робатаў.

Большасць сістэм выкарыстоўвае адзін датчык для збору інфармацыі, але з-за праблемы вымярэння сляпых зон дыяпазон ультрагукавых датчыкаў звычайна складае ад 30 да 300 см; у той час як адлегласць выяўлення інфрачырвоных датчыкаў адлегласці невялікая, звычайна ў межах дзесяткаў сантыметраў. У пэўнай ступені гэта можа кампенсаваць недахопы ультрагукавых датчыкаў, якія немагчыма вымераць з блізкай адлегласці. Такім чынам, гэтая сістэма выкарыстоўвае некалькі інфрачырвоных і ультрагукавых датчыкаў для вымярэння і збору інфармацыі аб адлегласці.

2. Прынцып і метад ранжыравання

(1) Ультрагукавы датчык
Ультрагук адносіцца да гукавых хваляў з рэзананснай частатой вышэй за 20 Гц. Чым вышэй частата, тым мацней здольнасць адлюстравання. Ультрагукавыя датчыкі недарагія, і на іх працу практычна не ўплывае святло, пыл, дым, электрамагнітныя перашкоды, а метал, дрэва, бетон, шкло, гума і папера могуць адлюстроўваць амаль 100% ультрагукавых хваль, таму іх можна выкарыстоўваць для выяўлення аб'ектаў.
Метад ультрагукавога вымярэння адлегласці - метад рэхадэтэкцыі. Перадаючы пераўтваральнік бесперапынна выдае гукавыя імпульсы. Пасля таго, як гукавая хваля сутыкаецца з перашкодай, яна адбіваецца назад і прымаецца прыёмным пераўтваральнікам. Адлегласць да перашкоды разлічваецца ў залежнасці ад хуткасці гуку і розніцы ў часе. Выяўляецца залежнасць паміж адлегласцю і хуткасцю гуку і часам.

(2) Метады павышэння дакладнасці ультрагукавога пераўтваральніка дыяпазону
1. Выкарыстоўвайце адпаведную частату і даўжыню хвалі: выкарыстоўваючы ультрагукавой датчык высокай магутнасці для вымярэння адлегласці, частата занадта нізкая; знешнія шумавыя перашкоды больш; частата занадта высокая, а згасанне вялікае ў працэсе распаўсюджвання. Акрамя таго, ультрагукавы датчык схільны ствараць сляпыя плямы ў працэсе вымярэння, а прыёмны канец схільны атрымліваць хвалі ўцечкі. Каб ліквідаваць гэты недахоп, неабходна паменшыць даўжыню перадаваемай хвалі і павялічыць частату перадаваемай хвалі. Аднак, калі даўжыня хвалевай струны, якая перадаецца, занадта малая, перадаючы пераўтваральнік не можа быць узбуджаны або ўзбуджаная вібрацыя не дасягае максімальнага значэння; калі частата перадаванай хвалі занадта высокая, згасанне вялікае, і рабочая адлегласць памяншаецца. Выпрабаванні паказалі, што пры выкарыстанні ультрагукавых хваль 40 кГц для перадачы група імпульсаў змяшчае 10-20 імпульсаў і мае добрыя характарыстыкі распаўсюджвання.

2. Павышэнне дакладнасці сінхранізацыі сістэмы можа таксама палепшыць дакладнасць ультрагукавога датчыка адлегласці. Чым вышэй частата падліку таймера, тым меншая памылка дыяпазону з-за памылкі квантавання часу.

3. Кампенсацыя часовай затрымкі сістэмнай схемы можа паменшыць памылку вызначэння дальнасці і павысіць дакладнасць вызначэння дальнасці. У формуле △ t - час затрымкі, с; s1, s2 – дзве вядомыя адлегласці вымярэння, м; t1, t2 — адпаведны час вымярэння, с.

(3) Інфрачырвоны датчык пазбягання перашкод
Інфрачырвоны - гэта электрамагнітная хваля паміж бачным святлом і мікрахвалевай печчу. Такім чынам, ён не толькі мае характарыстыкі лінейнага распаўсюджвання бачнага святла, адлюстравання, праламлення і г.д., але таксама мае пэўныя характарыстыкі мікрахваляў, такія як моцнае пранікненне і здольнасць пранікаць у пэўную непразрыстую матэрыю і г. д. Інфрачырвоны датчык уключае прыладу, якая выпраменьвае інфрачырвонае выпраменьванне, і прыладу, якая прымае інфрачырвонае выпраменьванне. Усе аб'екты ў прыродзе будуць выпраменьваць інфрачырвонае выпраменьванне, пакуль тэмпература вышэй за абсалютны нуль. Такім чынам, інфрачырвоныя датчыкі павінны мець больш моцныя магчымасці перадачы і прыёму.

Асноўны прынцып дыяпазону інфрачырвонага ультрагукавога датчыка заключаецца ў тым, што святловыпраменьвальная трубка выпраменьвае інфрачырвонае святло, а святлоадчувальная прыёмная трубка прымае адлюстраванае святло аб'екта перад сабой, а затым ацэньвае, ці ёсць перад ім перашкода. Па інтэнсіўнасці выпраменьванага святла можна меркаваць аб адлегласці аб'екта. Яго прынцып заключаецца ў тым, што інтэнсіўнасць святла, якое прымае прыёмная трубка, змяняецца ў залежнасці ад адлегласці адлюстроўвае аб'екта. Інтэнсіўнасць адлюстраванага святла блізкая да адлегласці, а інтэнсіўнасць адлюстраванага святла - далёка.

У цяперашні час інфрачырвоны фотаэлектрычны выключальнік, які з'яўляецца адным з найбольш часта выкарыстоўваюцца датчыкаў, мае частату перадачы каля 38 кГц і адносна невялікую адлегласць выяўлення. Звычайна выкарыстоўваецца для распазнавання перашкод на кароткай дыстанцыі. Гэтая сістэма выкарыстоўвае гэты від датчыка.

(4) Дэфекты інфрачырвонага вымярэння адлегласці
Пад уплывам характарыстык прылады, агульны інфрачырвоны фотаэлектрычны выключальнік мае дрэнную абарону ад перашкод і на яго моцна ўплывае навакольнае асвятленне; і колер выяўленага аб'екта і гладкасць паверхні розныя, і інтэнсіўнасць адлюстраванага інфрачырвонага святла будзе рознай.

Па-трэцяе, апаратная структура сістэмы

(1) Склад сістэмы
Сістэма вымярэння адлегласці складаецца з адначыпавага мікракампутара, ланцуга перадачы і прыёму ультрагуку, ланцуга перадачы і прыёму інфрачырвонага выпраменьвання, схемы лічбавага дысплея і паслядоўнай сувязі. Ядром кіравання з'яўляецца 16-бітны мікракантролер Lingyang SPCE061 A. Ёсць 2 16-бітныя праграмуемыя таймеры / таймеры, 14 крыніц перапыненняў, 32-бітны універсальны праграмуемы ўвод / вывад каналаў і 7-канальны 10-бітны A / D на мікрасхеме. пераўтваральнік.

(2) Ланцуг ультрагукавога датчыка
Порт I / O9-I / O11 Lingyang MCU падключаны да трохбаковай ультрагукавой ланцугу перадачы, а I / O3-I / O5 падлучаны да трохбаковай ультрагукавой прыёмнай схемы. Пераўтваральнік сігналу 40 кГц, які генеруецца адначыпавым мікракампутарам, выводзіцца праз увод-вывад і ўзмацняецца схемай узмацняльніка, якая складаецца з інвертара 4049B. Нарэшце, ён перадаецца ультрагукавым перадаючым пераўтваральнікам UCM40T; гукавая хваля вяртаецца да перашкоды і прымаецца прыёмным пераўтваральнікам UCM40R. Сігнал узмацняецца двухступеньчатай схемай узмацняльніка, якая складаецца з OP07, частата выбіраецца аўдыядэкодэрам LM567 з фазавай аўтападстройкай частоты, адфільтроўваючы сігналы перашкод, і, нарэшце, уводзіцца ў адначыпавы мікракампутар праз порт уводу-вываду. Мікракампутар з адным чыпам разлічвае адлегласць да перашкоды праз час перадачы гукавой хвалі.

(3) Схема інфрачырвонага датчыка
I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU можа выкарыстоўвацца ў якасці 10-бітнага аналагава-цыфравага пераўтваральніка. У гэтай сістэме парты I/O0 ～ I/O2 Lingyang MCU выкарыстоўваюцца ў якасці аналагава-цыфравых пераўтваральнікаў. I / O6 ～ I / O8 падлучаны да трох ланцугоў інфрачырвонага перадатчыка, а I / O0 ～ I / O2 падлучаны да трох інфрачырвоных прыёмнікаў са схемай. Калі порт уводу-вываду адначыпавага мікракампутара выдае высокі ўзровень, ён праводзіць з інфрачырвонай люмінесцэнтнай трубкай TLN205 і выпраменьвае інфрачырвонае святло; светлавая хваля адлюстроўваецца пасля сутыкнення з перашкодай і прымаецца інфрачырвонай прыёмнай трубкай TPS708, якая генеруе ток, які адпавядае інтэнсіўнасці святла. Пасля ўзмацнення складзенай двухступеньчатай схемы ўзмацнення яна выдае аналагавае напружанне 0 ~ 3 В, якое падаецца на ўваход у адначыпавы мікракампутар праз порт A / D. Мікракампутар з адным чыпам разлічвае і ацэньвае адлегласць да перашкоды па велічыні напружання.

4. Дызайн праграмнага забеспячэння.
Адначыпавы кампутар SPCE061 A выбірае сістэмную частату fosc = 20,480 МГц, тактавая частата працэсара (CPUCLK) роўная fosc / 2 = 10,24 МГц, крыніца тактавага сігналу выбірае частату 32768 Гц, крыніца тактавага сігналу выбірае частату 1 Гц, а SPCE061A забяспечвае 216-бітны таймінг / лічыльнік: TimerA і TIMERB. Крыніца тактавага сігналу TIMErA фарміруецца ў выніку працы крыніцы тактавага сігналу A і B; крыніцай тактавага сігналу TImerB з'яўляецца толькі крыніца тактавага сігналу А.
Ультрагукавы імпульс 40 кГц - гэта квадратная хваля з высокім і нізкім узроўнямі, кожны з якіх займае 12,5 мкс. Лік тактавай частоты працэсара затрымліваецца на 123 такта інструкцый, што складае 12,5 мкс. Адначыпавы камп'ютар можа генераваць імпульсны сігнал 40 кГц, бесперапынна генеруючы высокі і нізкі ўзровень 12,5 мкс. Імпульсная група з 20 імпульсаў выдаецца кожны раз на працягу 0,5 мс, а выпраменьванне імпульсу і час інтэрвалу складаюць не менш за 20 мс, што выводзіцца з порта ўводу-вываду. . Сістэма выбірае таймер A як перапыненне таймера 20 мс, а таймер B - ультрагукавы лічыльнік. Паколькі ультрагукавы датчык мае мёртвую зону, у распрацоўцы праграмы вымярэнне адлегласці больш за 30 см выконваецца ультрагукавым датчыкам, а інфрачырвоны датчык - у межах 30 см.

У працэсе інфрачырвонага вызначэння дыяпазону таймер A выкарыстоўваецца для стварэння перапынення 0,1 с для выбаркі А/Ц, а значэнне напружання пераўтворыцца ў інфармацыю аб адлегласці. У галоўнай праграме спачатку ўвядзіце падпраграму інфрачырвонага выяўлення. Пры выяўленні перашкоды ўвайсці ў падпраграму перадачы даных, адлюстравання і кіравання рухам; калі перашкода не выяўлена, уваход у падпраграму ультрагукавога выяўлення. Ультрагук выяўляе перашкоды, затым уводзіць падпраграмы перадачы даных, адлюстравання і кіравання рухам. Калі ніякіх перашкод не выяўлена, інфрачырвонае выяўленне выконваецца цыклічна інфрачырвоным і ультрагукавым выяўленнем падпраграм адпаведна.

V. Вынікі вымярэння
Падчас выпрабавання для вымярэння выкарыстоўваюцца перашкоды аднолькавага памеру, тэкстуры і колеру. Выпрабаванні паказваюць, што дакладнасць дыяпазону сістэмы знаходзіцца ў межах 1% ад 0 да 200 см, што дазваляе дакладна вымераць адлегласць да перашкод. Вымярэнне адлегласці ў межах 30 см ажыццяўляецца інфрачырвонымі датчыкамі, а вымярэнне адлегласці ад 30 да 200 см - ультрагукавымі датчыкамі.

6. Заключэнне
У гэтым артыкуле вывучаецца недарагая, маламагутная, высокапрадукцыйная сістэма бакавой дыстанцыі мабільнага робата, сістэма з некалькімі датчыкамі з выкарыстаннем ультрагукавых і інфрачырвоных датчыкаў, якая эфектыўна вырашае праблему вымярэння сляпых зон у сістэме з адным датчыкам; Тры групы датчыкаў сабраны ў трох розных месцах робата, каб робат мог выконваць задачы па дальнамернасці ў трох розных кірунках.