Сістэма выяўлення аўтаномнага мабільнага робата на аснове ультрагукавога датчыка

Пашырэнне ультрагукавога датчыка з'яўляецца добрым дадаткам да існуючай сістэме выяўлення мабільных робатаў. Гэта было цалкам прадэманстравана ў эксперыментальных праграмах і мае пэўную практычнасць у выяўленні перашкод і карэкціроўцы позы робата. Аднак гэты метад патрабуе далейшага ўдасканалення ў рэжыме рэальнага часу і дакладнасці.

 

Адзін з найважнейшых u Ультрагукавы датчык ўзроўню для мабільных робатаў, каб набыць аўтаномныя паводзіны, каб атрымаць веды аб навакольным асяроддзі. Гэта дасягаецца шляхам выкарыстання розных вымярэнняў ультрагукавога датчыка і атрымання інфармацыі з гэтых вымярэнняў. Такія датчыкі, як глядзельныя, інфрачырвоныя, лазерныя і ультрагукавыя, усе выкарыстоўваліся ў мабільных робатах. Ультрагукавыя датчыкі шырока выкарыстоўваюцца ў сістэмах зандзіравання мабільных робатаў з-за іх высокага кошту і простай апаратнай рэалізацыі. Аднак ультрагукавыя датчыкі таксама маюць пэўныя абмежаванні, у асноўным з-за вялікага вугла прамяня, дрэннай накіраванасці і нестабільнасці вымярэння адлегласці (пры невертыкальным адлюстраванні). Такім чынам, некалькі ультрагукавых датчыкаў або іншых датчыкаў часта выкарыстоўваюцца для кампенсацыі. Каб кампенсаваць недахопы самога ультрагукавога датчыка і палепшыць яго здольнасць атрымліваць інфармацыю аб навакольным асяроддзі, у гэтым артыкуле распрацавана сістэма выяўлення, якая складаецца з убудаванага ультрагукавога датчыка і крокавага рухавіка.

 

1 Аналіз прынцыпу і метаду выяўлення ультрагукавых датчыкаў

 

Асноўны прынцып ультрагукавога датчыка заключаецца ў адпраўцы (ультрагукавых) хвалевых пакетаў ціску і вымярэнні часу, неабходнага для перадачы хвалевых пакетаў і вяртання іх у прыёмнік.

 

Сярод іх гэта адлегласць паміж мішэнню і ультрагукавым датчыкам; c — хуткасць ультрагукавой хвалі (для спрашчэння апісання ўплыў тэмпературы на хуткасць хвалі не ўлічваецца пры вымярэнні адлегласці, якое абмяркоўваецца ніжэй; t — інтэрвал часу ад выпраменьвання да прыёму.

 

Таму што вымярэнне адлегласці ультрагукам не з'яўляецца кропкавым. Ультрагукавыя датчыкі маюць пэўныя дыфузійныя характарыстыкі. Выпраменьваная ультрагукавая энергія ў асноўным сканцэнтравана на галоўным лепестку і згасае ў хвалепадобнай форме па абодва бакі ад восі галоўнай хвалі з вуглом рассейвання каля 30 ° злева і справа. Фактычна, метад разліку формулы ў часе заснаваны на паспяховым вертыкальным адлюстраванні ультрагукавых хваль. Аднак мабільнаму робату складана забяспечыць стабільнасць паставы ўласнага руху. Выкарыстоўваецца метад выяўлення, пры якім ультрагукавой датчык замацоўваецца на корпусе мабільнага робата. Калі мабільны робат адхіляецца ад паралельнай сцяны, сістэме выяўлення часта цяжка вызначыць рэальную адлегласць. Акрамя таго, калі характарыстыка дывергенцыі ультрагуку выкарыстоўваецца для вымярэння перашкод, яна можа даць толькі інфармацыю аб адлегласці мэтавай перашкоды, але не кірунак і межы мэты. Гэтыя дэфекты моцна абмяжоўваюць практычнае прымяненне і прасоўванне ультрагукавых датчыкаў.

 

Грунтуючыся на тэарэтычным аналізе і бесперапынным выпрабаванні, у гэтым дакуменце выкарыстоўваецца чатырохфазны крокавы рухавік для прывядзення ў рух адзінага ўбудаванага ультрагукавога датчыка, які паварочваецца для фарміравання дынамічнай сістэмы адчування.

 

2 Сістэма выяўлення складаецца з убудаванага ультрагукавога датчыка і крокавага рухавіка

 

2.1 Канструктыўнае праектаванне

 

Ультрагукавы датчык прывараны да платы друкаванай платы, плата пабудавана сталёвай трубой, а другі канец сталёвай трубы злучаны з валам крокавага рухавіка, і крокавы рухавік замацаваны пад шасі робата. Сігнал кіравання ультрагукавым датчыкам і выхадны сігнал, якія падключаюцца да платы кіравання на кузаве транспартнага сродку праз сігнальную лінію. Акрамя таго, перад зондам ультрагукавога датчыка дадаецца конусападобная гільза з пенапласту, дыяметр верхняга вусця - 22 мм, дыяметр ніжняга вусця - 16 мм, вышыня - 20 мм. Такім чынам, вугал прамяня хвалі, якая праходзіць, і кут, пад якім прымаецца адлюстраваная хваля, значна абмежаваны. Для таго, каб робат адрэгуляваў сваю позу, яму неабходна вызначыць уласны кірунак кручэння і апорнае становішча. Такім чынам, просты фотаэлектрычны кадавальнік, які складаецца з прамога інфрачырвонага фотаэлектрычнага датчыка і паваротнай платформы, зроблены намі. Паказана размеркаванне 2 прамых інфрачырвоных фотаэлектрычных датчыкаў, якія гарызантальна размешчаны на сярэдняй кропцы злучэння па абодва бакі кузава робата з інтэрвалам 180 ° . Паваротны стол і паваротны рычаг злучаны па канцэнтрычнай акружнасці, як паказана вонкавым кругам на малюнку, 1, 3 лініі шкалы разнесены на 27 ° ; лініі шкалы 2, 1 разнесены на 180 ° , а лінія шкалы 1 і цэнтр ультрагукавога датчыка знаходзяцца на адной гарызантальнай лініі. I толькі праводнасць выкарыстоўваецца ў якасці апорнай каардынаты, I і II адначасова кіруюцца для вызначэння напрамку кручэння, а Ⅱ адзін праход выкарыстоўваецца ў якасці апорнай навігацыі, калі робат вяртаецца ўздоўж сцяны.

 

Убудаваны ультрагукавы датчык прыводзіцца ў рух крокавым рухавіком, і кірунак цэнтральнай восі ультрагукавога датчыка, перпендыкулярны корпусу робата, выкарыстоўваецца ў якасці эталона каардынатаў для яго ўласнай карэкціроўкі паставы. Крокавы рухавік прымае 4-фазны 4-тактны вугал кроку 1,8 ° і 1 крок на абарот. Ультрагукавы датчык выяўляе адзін раз і адпраўляе вымеранае значэнне на верхні кампутар праз паслядоўны порт.

 

2.2 Канструкцыя апаратнага забеспячэння сістэмы выяўлення

 

Апаратнае забеспячэнне сістэмы выяўлення ў асноўным складаецца з ланцуга генерацыі ультрагуку, ланцуга прыёму ультрагуку, модуля кіравання хуткасцю крокавага рухавіка і г. д. Ядром сістэмы з'яўляецца адначып, які ў асноўным завяршае перадачу і прыём сігналу, кіруе крокавым рухавіком і перадае даныя на галоўны кампутар робата для апрацоўкі.

 

Схема ультрагукавога перадатчыка выкарыстоўвае порт P11 адначыпа для вываду імпульсу перадатчыка і кіруецца 74HC04 для падлучэння ультрагукавога датчыка. Яны павялічваюць яго выхадны ток і павялічваюць адлегласць перадачы ультрагукавога датчыка.

 

Схема прыёму і апрацоўкі ультрагуку выкарыстоўвае інтэгральную схему. гэта спецыяльная інтэгральная схема для інфрачырвоных прымачоў. Тут CX20106 выкарыстоўваецца ў якасці ўзмацняльнага і выяўляючага прылады для прыёму сігналаў ад ультрагукавых датчыкаў, таксама былі дасягнуты добрыя вынікі. Пасля таго, як папярэдні ўзмацняльнік прымае адлюстраваны сігнал ад ультрагукавога прыёмнага зонда, ён узмацняе сігнал з узмацненнем напружання каля 80 дБ. Затым сігнал пасылаецца на абмежавальны ўзмацняльнік, каб ператварыць яго ў прамавугольны імпульс, а затым частата выбіраецца фільтрам, каб адфільтраваць сігнал перашкод, нясучая частата адфільтроўваецца дэтэктарам, каб выявіць камандны сігнал, і пасля фармавання ён выводзіцца з дапамогай кантакту 7 нізкага ўзроўню. Западаючы фронт выхаду імпульсу з кантакту 7 падаецца праз порт INT0 мікракантролера.

 

Схема перадатчыка і схема прыёмніка інтэграванага ультрагукавога датчыка выкарыстоўваюць адзін і той жа ўваходны/вывадны штыфт датчыка. Калі ўваход/выхад не ізаляваны, ланцуг прымача і перадатчыка будуць моцна закрануты. Двунакіраваны аналагавы перамыкач CMOS выкарыстоўваецца для ізаляцыі перадачы і прыёму. Модуль кіравання крокавым рухавіком прымае рэжым кіравання кальцавога размеркавальніка імпульсаў L297 + двайны H-мост інтэгральнай схемы харчавання L298. P1.6, P1.7 і P2.3 адначыпавага мікракампутара адпаведна падлучаны да клемм CW, тактавага сігналу і ўключэння L297 для кіравання кручэннем наперад і назад, тактавым сігналам, запускам і прыпынкам рухавіка.

 

2.3 Дызайн праграмнага забеспячэння сістэмы выяўлення

Праграмнае забеспячэнне сістэмы выяўлення ў асноўным складаецца з галоўнага праграмнага модуля, праграмнага модуля абслугоўвання перапыненняў і ультрагукавога датчыка, які мае модуль перадачы і прыёму. Тут у асноўным тлумачыцца асноўны праграмны модуль сістэмы выяўлення.

 

Модулі вымярэння і кіравання ультрагукавым датчыкам і крокавым рухавіком кіруюцца рознымі адначыпавымі мікракампутарамі, таму сістэма адчуванняў і верхні кампутар мабільнага робата павінны абапірацца на лінію порта ўводу/вываду і паслядоўную асінхронную сувязь паміж адначыпавымі мікракампутарамі. Сцяг T выкарыстоўваецца для пераключэння дзеянняў. Калі T=0 і OFF=0 выконваюцца адначасова, гэта звычайны працэс выяўлення ультрагукавымі датчыкамі; калі T=1, OFF=0, ён выкарыстоўваецца для рэгулявання азімута перад кожным цыклам вымярэння; OFF=1 Чакае наступнага дзеяння. Таймер T0 выкарыстоўваецца для разліку часу рэха, таму значэнне адлегласці d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. адзін імпульс запуску падаецца на крокавы рухавік. Затым вызначыце, ці будзе наступным дзеяннем выяўленне датчыка або рэгуляванне вугла азімута самога робата, які ўваходзіць у новы цыкл.

 

3 Эксперымент і прымяненне сістэмы выяўлення на мабільным робаце

3.1 Знайдзіце бліжэйшую да сцяны кропку

 

У гэтым артыкуле дызайнерская ідэя пошуку бліжэйшай да сцяны кропкі заснавана на ультрагукавым дыяпазоне. Выбар метаду вымярэння адлегласці на ўзроўні часу і абмежаванне дыяпазону прыёму ультрагукавога датчыка, усталяваўшы парог прыёмнага рэха і дадаўшы перад зондам гукапаглынальную гільзу. Вымераны вугал прамяня складае каля ± 20° пры а

адлегласць 75 см, а эфектыўны вугал, які можа прымаць адлюстраваныя хвалі, складае каля ± 40°.

 

Прыблізны канічны прамень ультрагукавога датчыка вызначае адлегласць адлюстравання бліжэйшай кропкі кожны раз, калі ён вымярае адлегласць. Нават калі вугал прамяня адхіляецца ад пункцірнай лініі, фактычная адлегласць па-ранейшаму з'яўляецца значэннем, якое вымяраецца ўздоўж цэнтральнай лініі прамяня. Тэарэтычна адлегласць, вымераная ў межах вугла перадаючага прамяня, павінна быць аднолькавай, але час удару ультрагукавога датчыка і ўстаноўка парога прыёму, уключаючы адлюстраванне ад сцяны, будуць мець пэўны ўплыў на вымярэнне адлегласці. Вымераная эксперыментальна ў межах пэўнага вугла (прыблізна ± 20° ) велічыня адлегласці вымярэння істотна не змяняецца, а суседнія яе значэнні адносна блізкія (не больш за 2 мм). Калі вугал адхіленні працягвае павялічвацца, змены ў суседніх значэннях вымярэнняў таксама значна павялічваюцца. Такім чынам, адзін з метадаў заключаецца ў выкарыстанні гэтых дзвюх крытычных кропак для вызначэння вугла паміж бэлькай і сцяной (гэта значыць самай блізкай да сцяны кропкі), і крокавы рухавік рухае ультрагук круціцца, каб знайсці гэтыя дзве крытычныя кропкі. Калі два суседнія значэнні бесперапынна выяўляюцца ніжэй за 2 мм, лічыцца, што яно ўвайшло ў стабільную зону, а кропка, дзе адбываецца змяненне да і пасля, усталёўваецца ў якасці крытычнай кропкі. Усе кропкі ў межах гэтай крытычнай кропкі запісваюцца, а потым вылічваецца сярэдняя кропка. Сярэдняя кропка - гэта бліжэйшая кропка паміж сцяной і ультрагукавым датчыкам. ён паказвае набор вымераных дадзеных. У межах 72 °～ 108° гэта стабільная зона вымярэння адлегласці. Па-за гэтым, прылеглае адхіленне вымеранай адлегласці перавышае 8 мм, і з вуглом яно будзе яшчэ больш павялічана пры павароце ў абодва бакі. Эксперыменты праводзіліся, змяняючы адлегласць паміж убудаваным ультрагукавым датчыкам і сцяной у межах 50 см і 200 см. У выніку хібнасць вымярэння вертыкальнага вугла да сцяны была абмежавана 2 вугламі кроку.

 

3.2 Сістэма выяўлення прымяняецца да робата для навігацыі па сцяне

 

Аўтаномныя мабільныя робаты ўлоўліваюць інфармацыю аб бягучым асяроддзі падчас руху. Інфармацыя аб адлегласці, выяўленая кожны раз, вымяраецца на падставе бягучай пазіцыі руху робата. Ідучы па прамой лініі ўздоўж сцяны, робат гарантуе дакладнасць сваёй траекторыі праз сумеснае ўспрыманне вымярэння адлегласці і ўласнай паставы. Ультрагукавое вымярэнне адлегласці атрымала шырокае прымяненне. Пасля праверкі ўзаемасувязі паміж вуглом ультрагукавога выяўлення і вымярэннем адлегласці ультрагукавыя датчыкі могуць быць выкарыстаны для вымярэння вугла азімута кузава транспартнага сродку (для вызначэння яго ўласнай паставы) у адпаведнасці з метадам разліку бліжэйшай кропкі. Вымераная бліжэйшая кропка - гэта фактычная адлегласць паміж робатам і сцяной. Апорныя каардынаты робата вызначаюцца прамым інфрачырвоным датчыкам 1 на простым энкодэры, а бліжэйшая кропка вылічваецца ў адпаведнасці з інфармацыяй, якая захоўваецца падчас кожнага кроку крокавага рухавіка. Паміж базавымі каардынатамі і бліжэйшай кропкай вугал, пройдзены крокавым рухавіком, выкарыстоўваецца для вызначэння вугла адхілення паміж робатам і сцяной, а затым вугал адхілення перадаецца ў сістэму кіравання прывадам колы для рэгулявання вугла азімута.

 

3.3 Пошук перашкод

 

Выкарыстанне крокавага рухавіка для прывада прамысловы ультрагукавой датчык

 паварочваць функцыянальна падобна да выяўлення з некалькімі датчыкамі. Мабільныя робаты звычайна выкарыстоўваюць некалькі ультрагукавых датчыкаў вакол цела, каб атрымаць больш інфармацыі, тым самым павялічваючы дыяпазон перашкод і вызначаючы кірунак мэты і інфармацыю аб межах. Наадварот, адна з пераваг метаду павароту заключаецца ў тым, што шчыльнасць выяўлення можа быць аўтаматычна адрэгулявана ў адпаведнасці з шчыльнасцю перашкоды. Колькасць дадатковых датчыкаў абмежавана ўласнымі ўмовамі, а герметычнасць спосабу кручэння звязана толькі з вуглом кроку крокавага рухавіка. Павелічэнне шчыльнасці выяўлення можа значна палепшыць раздзяляльнасць вугла, тым самым узмацняючы вызначэнне напрамку мэты і інфармацыі аб межах.

 

Гэтая сістэма з'яўляецца пашырэннем функцыі ультрагукавой датчык набліжэння і добрае дадатак да існуючай сістэме выяўлення мабільных робатаў. Гэта было цалкам прадэманстравана ў эксперыментальных праграмах і мае пэўную практычнасць у выяўленні перашкод і карэкціроўцы позы робата. Аднак гэты метад патрабуе далейшага ўдасканалення ў рэжыме рэальнага часу і дакладнасці.