Прымяненне ультрагукавой сістэмы вызначэння адлегласці ў мабільным робаце

Ультрагукавыя датчыкі шырока выкарыстоўваюцца ў сістэмах пазбягання перашкод робатаў. На аснове прынцыпу ультрагукавога далятарызацыі распрацавана сістэма паралельнага далятаравання. Уведзены апаратны склад і спосаб праграмнай рэалізацыі сістэмы. У сувязі з тым, што паралельнае вызначэнне дыяпазону з дапамогай некалькіх датчыкаў лёгка стварае перашкоды, аналізуецца прычына перашкод і прапануецца эфектыўнае рашэнне. Сістэма выкарыстоўваецца ў эксперыменце па пазбяганні перашкод мабільнага робата, і прыведзены вынікі эксперыментальнай каліброўкі дыяпазону вымярэнняў сістэмы.

Ультрагукавы датчык для вымярэння адлегласці шырока выкарыстоўваецца ў прыкладаннях, якія патрабуюць вымярэння адлегласці, такіх як мабільныя робаты для пазбягання перашкод і радары задняга ходу з-за іх пераваг простай апрацоўкі інфармацыі, высокай хуткасці і нізкай цаны. Дзякуючы характарыстыкам выпраменьвання ультрагуку, існуючая сістэма дальнасці з некалькімі датчыкамі выкарыстоўвае кругавую перадачу для памяншэння генерацыі перашкод. Гэты метад мае вялікую мёртвую зону для адлегласці, і прадукцыйнасць у рэальным часе не можа быць гарантавана. Дадзеныя вымярэнняў таксама складаныя для наступнай апрацоўкі, такой як пазіцыянаванне перашкод і дыскрымінацыя формы. Яны распрацоўваюць ультрагукавую сістэму вызначэння дальнасці з некалькімі датчыкамі, якія працуюць паралельна. Сістэма выкарыстоўваецца для эксперыментаў па пазбяганні перашкод на інтэлектуальных мабільных робатах, і атрыманы добрыя вынікі.

1 Дызайн ультрагукавой сістэмы вызначэння адлегласці

Існуе мноства метадаў ультрагукавога вымярэння адлегласці. У гэтым артыкуле выкарыстоўваецца метад часу палёту, гэта значыць адлегласць вылічваецца шляхам вымярэння часу t ультрагукавой хвалі ад перадаючага датчыка праз сераду распаўсюджвання да прымаючага датчыка. Яго прынцып можа быць выражаны формулай L=vt/2, (L — адлегласць, якую трэба вымераць; v — хуткасць распаўсюджвання ультрагукавых хваль у паветры, t — час праходжання). Хуткасць распаўсюджвання ультрагуку ў паветры залежыць ад тэмпературы навакольнага асяроддзя, і дакладнасць вымярэння адлегласці можа быць палепшана з дапамогай тэмпературнай кампенсацыі.

1.1 Праектаванне апаратнай схемы

У асноўным гэта ўключае ў сябе верхні кампутар, працэсар, схему ультрагукавога асцылятара, схему прывада, узмацненне сігналу, схему фарміравання і параўнання.

У працэсары выкарыстоўваецца адначып STC STC12C5410, які сумяшчальны з серыяй 51. Кожны адначыпавы мікракампутар праз мультыплексар кіруе двума ультрагукавымі датчыкамі, размешчанымі спераду і ззаду робата. Асноўная задача адначыпавага мікракампутара - вымярэнне часу праходжання і тэмпературы навакольнага асяроддзя, а таксама разлік адлегласці перашкод. Адначыпавы мікракампутар звязваецца з галоўным кампутарам праз RS232. Верхні кампутар аналізуе атрыманыя дадзеныя, каб вызначыць месцазнаходжанне перашкод і кіраваць рухам робата.

Схема ультрагукавога перадатчыка складаецца з дзвюх частак: вагальнай ланцуга і кіруючага контуру. Вагальны контур - гэта простая схема, якая складаецца з затвора NAND, рэзістара і кандэнсатара, які можа генераваць квадратны сігнал 40 кГц, каб кіраваць ультрагукавым датчыкам для выпраменьвання ультрагукавых хваль; ланцуг кіравання генеруе ультрагукавы электрычны імпульс з пэўнай магутнасцю для ўзбуджэння ультрагукавога датчыка, які складаецца з 6 НЕ варот у паралельнай кампазіцыі, выкарыстоўваючы здольнасць кіравання самога чыпа. Пасля запуску канчатковы сігнал, які дадаецца да ультрагукавога датчыка, - гэта квадратная хваля з амплітудай 5 В.

1.2 Дызайн праграмнага забеспячэння

У сістэме адначыпавы мікракампутар павінен кіраваць 2 таймерамі, адзін выкарыстоўваецца для вымярэння часу праходжання, а другі выкарыстоўваецца для ўстаноўкі хуткасці перадачы дадзеных паміж адначыпам і ПК для забеспячэння дакладнасці сувязі; кіраваць знешнім портам перапынення для маніторынгу ультрагукавога датчыка прыёму ў рэжыме рэальнага часу. Ці прымаць адлюстраваны ультрагукавы сігнал; выкарыстоўваць увод-вывад для кіравання датчыкам ультрагукавога перадатчыка для выпраменьвання ультрагуку на пэўнай частаце; выкарыстанне адзінага пратаколу шыны для кіравання ўводам-вывадам для чытання сабранага значэння тэмпературы. Адначыпавы мікракампутар таксама павінен атрымліваць і апрацоўваць каманды верхняга камп'ютэра і адпраўляць дадзеныя назад на верхні кампутар у рэжыме рэальнага часу ў адпаведнасці з патрабаваннямі верхняга камп'ютэра. 

The Схема датчыка ультрагукавога пераўтваральніка падзелена на тры часткі: узмацненне сігналу, фарміраванне і параўнанне. Сігнал, атрыманы ультрагукавым прыёмным датчыкам, вельмі слабы, на ўзроўні мілівольт, сігнал павінен быць узмоцнены, перш чым ён можа быць выяўлены адначыпавым мікракампутарам. У гэтым артыкуле двухступеньчатыя ўзмацняльныя схемы выкарыстоўваюцца для ўзмацнення ў агульнай складанасці 1000 разоў. Двухкаскадныя ўзмацняльныя ланцугі злучаны супрацівна-ёмістнай сувяззю. Выхадны сігнал з узмацняльніка паступае ў кампаратар пасля праходжання схемы падваення напружання. Рэгуляванне апорнага напружання кампаратара можа змяніць дыяпазон вымярэнняў і дакладнасць вымярэнняў сістэмы вызначэння дальнасці. Выхад сігналу кампаратара падключаецца да INT0 адначыпавага мікракампутара, выклікаючы адначыпавае перапыненне.

Мультыкампутарная сувязь выкарыстоўваецца для перадачы даных паміж адначыпавым кампутарам і галоўным кампутарам. ПК не мае біта кіравання некалькімі кампутарамі, і 

модуль ультрагукавога датчыка адлегласці павінен выкарыстоўваць праграмнае забеспячэнне для мадэлявання біта TB8/RB8 мікракантролера. Крокі налады пратаколу сувязі наступныя:

1) Усталюйце MCU у стан маніторынгу адрасоў;

2) ПК адпраўляе набор адрасных даных з бітам цотнасці 1;

3) Адначыпавы мікракампутар вызначае, ці супадае атрыманы адрас з лакальным. Калі ён супадае, адрас будзе адпраўлены гаспадару, каб заключыць пагадненне аб рукапацісканні з гаспадаром;

4) Пасля таго, як хост атрымлівае адрас, ён адпраўляе даныя з бітам цотнасці 0, каб паведаміць мікракантролеру аб адпраўцы інфармацыі аб адлегласці;

5) Адначыпавы мікракампутар адпраўляе дадзеныя аб адлегласці. Пасля адпраўкі вярніцеся да кроку, каб працягваць сачыць за адрасам.

Задача складаецца ў тым, каб адпраўляць набор каманд запытаў у паслядоўны порт кожныя 50 мс у адпаведнасці з усталяваным пратаколам сувязі для счытвання інфармацыі аб адлегласці, вымеранай адначыпавым мікракампутарам; вызначыць месцазнаходжанне перашкоды, аналізуючы прачытаную інфармацыю аб адлегласці, і прыблізна ацаніць характарыстыкі формы перашкоды; прыняць неабходныя меры па пазбяганні перашкод, кантраляваць працу робата і адлюстроўваць бегавую дарожку. Праграмнае забеспячэнне мае добры карыстацкі інтэрфейс, які спрыяе адладцы праграмы.