Aplikační analýza ultrazvukového senzoru v mobilním robotickém distančním systému

I. Úvod

V procesu vyhýbání se překážkám v reálném čase a plánování cesty pro autonomní mobilní roboty se robot musí spoléhat na získávání externích informací o prostředí, snímat přítomnost překážek a měřit vzdálenost překážek. V současné době robotické senzory pro vyhýbání se překážkám a dosahování zahrnují infračervené, ultrazvukové, laserové a vizuální senzory. Laserové senzory a vizuální senzory jsou drahé a vyžadují vysoké požadavky na řídicí jednotky. Proto infračervené a ultrazvukové snímače hladiny se většinou používají v mobilních robotických systémech.

Většina systémů používá pro sběr informací jeden senzor, ale kvůli problému s měřením slepých míst je dosah ultrazvukových senzorů obecně mezi 30 a 300 cm; zatímco detekční vzdálenost infračervených senzorů vzdálenosti je krátká, obecně v řádu desítek centimetrů. Do jisté míry může kompenzovat nedostatky ultrazvukových snímačů, které nelze měřit na blízko. Proto tento systém používá několik infračervených a ultrazvukových senzorů k měření a sběru informací o vzdálenosti.

2. Princip a metoda měření

(1) Ultrazvukový senzor
Ultrazvuk označuje zvukové vlny s rezonanční frekvencí vyšší než 20 Hz. Čím vyšší frekvence, tím silnější je schopnost odrazu. Ultrazvukové senzory jsou levné a jejich výkon téměř neovlivňuje světlo, prach, kouř, elektromagnetické rušení a kov, dřevo, beton, sklo, guma a papír mohou odrážet téměř 100 % ultrazvukových vln, takže je lze použít k detekci objektů.
Metodou ultrazvukového měření vzdálenosti je metoda detekce ozvěny. Vysílací převodník nepřetržitě vysílá zvukové impulsy. Poté, co zvuková vlna narazí na překážku, je odražena zpět a přijata přijímacím snímačem. Vzdálenost překážky se vypočítává podle rychlosti zvuku a časového rozdílu. Je vyjádřen vztah mezi vzdáleností a rychlostí zvuku a časem.

(2) Metody pro zlepšení přesnosti ultrazvukového snímače rozsahu
1. Použijte vhodnou frekvenci a vlnovou délku: pomocí vysoce výkonný ultrazvukový převodník pro měření vzdálenosti, frekvence je příliš nízká; vnější rušení šumem je více; frekvence je příliš vysoká a útlum je velký během procesu šíření. Ultrazvukový senzor je navíc náchylný k vytváření slepých míst během procesu měření a přijímací konec je náchylný k přijímání netěsných vln. Pro zlepšení tohoto nedostatku je nutné zmenšit délku vysílaného vlnového řetězce a zvýšit frekvenci vysílané vlny. Pokud je však délka vysílaného vlnového řetězce příliš krátká, nelze vysílací měnič vybudit nebo vybuzené kmitání nedosáhne maximální hodnoty; pokud je frekvence přenášené vlny příliš vysoká, útlum je velký a pracovní vzdálenost se zmenšuje. Testy ukázaly, že použití 40 kHz ultrazvukových vln k přenosu pulzní skupiny obsahuje 10-20 pulzů a má dobrý výkon při šíření.

2. Zlepšení přesnosti časování systému může také zlepšit přesnost ultrazvukového snímače vzdálenosti. Čím vyšší je frekvence počítání časovače, tím menší je chyba určování vzdálenosti v důsledku chyby kvantizace času.

3. Kompenzace časového zpoždění systémového obvodu může snížit chybu určování vzdálenosti a zlepšit přesnost určování vzdálenosti. Ve vzorci △ t je doba zpoždění, s; s1, s2 jsou dvě známé měřicí vzdálenosti, m; t1, t2 jsou odpovídající časy měření, s.

(3) Infračervený senzor vyhýbání se překážkám
Infračervený je elektromagnetické vlnění mezi viditelným světlem a mikrovlnami. Proto má nejen vlastnosti lineárního šíření viditelného světla, odrazu, lomu atd., ale má také určité vlastnosti mikrovln, jako je silná penetrace a schopnost pronikat určitou neprůhlednou hmotou atd. Infračervený senzor obsahuje zařízení pro vyzařování infračerveného záření a infračervené přijímací zařízení. Všechny objekty v přírodě budou vyzařovat infračervené záření, dokud bude teplota nad absolutní nulou. Proto musí mít infračervené senzory silnější vysílací a přijímací schopnosti.

Základní princip měření rozsahu infračerveného ultrazvukového senzoru spočívá v tom, že světlo emitující trubice vyzařuje infračervené světlo a světlocitlivá přijímací trubice přijímá odražené světlo objektu před sebou a poté posuzuje, zda je před ní překážka. Vzdálenost objektu lze posuzovat podle intenzity vyzařovaného světla. Jeho princip spočívá v tom, že intenzita světla přijímaného přijímací trubicí se mění se vzdáleností odrážejícího předmětu. Intenzita odraženého světla je blízká vzdálenosti a intenzita odraženého světla je daleko.

V současnosti má infračervený fotoelektrický spínač, který je jedním z nejpoužívanějších snímačů, přenosovou frekvenci cca 38 kHz a relativně krátkou detekční vzdálenost. Obvykle se používá pro rozpoznání překážek na krátkou vzdálenost. Tento systém používá tento druh senzoru.

(4) Závady měření infračervené vzdálenosti
Vlivem vlastností zařízení má obecný infračervený fotoelektrický spínač špatnou ochranu proti rušení a je značně ovlivněn okolním světlem; a barva detekovaného objektu a hladkost povrchu jsou různé a intenzita odraženého infračerveného světla bude odlišná.

Za třetí, struktura hardwarového systému

(1) Složení systému
Systém pro měření vzdálenosti se skládá z jednočipového mikropočítače, ultrazvukového vysílacího a přijímacího obvodu, infračerveného vysílacího a přijímacího obvodu, digitálního zobrazovacího obvodu a sériového komunikačního obvodu. Řídicím jádrem je Lingyang 16bitový mikrokontrolér SPCE061 A. K dispozici jsou 2 16bitové programovatelné časovače / časovače, 14bitové / 7bitové vstupní zdroje a 32 kanálové vstupní zdroje 10bitové A/D na čipu. konvertor.

(2) Obvod ultrazvukového senzoru
Port I / O9-I / O11 Lingyang MCU je připojen k třícestnému ultrazvukovému vysílacímu obvodu a I / O3-I / O5 je připojen k třícestnému ultrazvukovému přijímacímu obvodu. Signálový převodník 40 kHz generovaný jednočipovým mikropočítačem je na výstupu I/O a je zesilován obvodem zesilovače složeného z invertoru 4049B. Nakonec je vysílán ultrazvukovým vysílacím převodníkem UCM40T; zvuková vlna se vrací k překážce a je přijímána přijímacím měničem UCM40R. Signál je zesilován dvoustupňovým zesilovacím obvodem složeným z OP07, frekvenčně voleným audio dekodérem s fázovou smyčkou LM567, odfiltrováním rušivých signálů a nakonec vstupem do jednočipového mikropočítače přes I/O port. Jednočipový mikropočítač vypočítává vzdálenost překážky prostřednictvím doby přenosu zvukové vlny.

(3) Obvod infračerveného senzoru
I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU lze použít jako 10bitový A/D převodník. V tomto systému se porty I / O0 ～ I / O2 MCU Lingyang používají jako A / D převodníky. I / O6 ～ I / O8 jsou připojeny ke třem obvodům infračerveného vysílače a I / O0 ～ I / O2 jsou připojeny ke třem infračerveným přijímačům s obvodem. Když I/O port jednočipového mikropočítače vysílá vysokou úroveň, vede infračervenou luminiscenční trubici TLN205 a vyzařuje infračervené světlo; světelná vlna se po nárazu na překážku odrazí a přijme infračervenou přijímací trubicí TPS708, která generuje proud odpovídající intenzitě světla. Poté, co je složený dvoustupňový zesilovací obvod zesílen, vydává analogové napětí 0 ~ 3V, které je na vstupu jednočipového mikropočítače přes A/D port. Jednočipový mikropočítač vypočítává a posuzuje vzdálenost překážky pomocí velikosti napětí.

4. Návrh softwaru
Jednočipový počítač SPCE061 A volí systémovou frekvenci fosc = 20.480MHz, taktovací frekvence CPU (CPUCLK) je fosc / 2 = 10.24 MHz, zdroj hodin volí frekvenci 32768 Hz, zdroj hodin volí frekvenci 1Hz a čítač TimerCEA06 poskytuje čas16 Bit a16 TIMERB. Zdroj hodin TIMERA je tvořen operacemi zdroje hodin A a zdroje hodin B; zdrojem hodin TImerB je pouze zdroj hodin A.
Ultrazvukový puls 40 kHz je obdélníková vlna s vysokou a nízkou úrovní, každá zabírá 12,5 μs. Počet hodin CPU je zpožděn o 123 instrukčních cyklů, což je 12,5 μs. Jednočipový počítač dokáže generovat pulzní signál 40 kHz nepřetržitým generováním vysokých a nízkých úrovní 12,5 μs. Skupina 20 pulsů je emitována pokaždé po dobu 0,5 ms a pulsní emise a časový interval jsou alespoň 20 ms, což je výstup z I/O portu. . Systém zvolí časovač A jako přerušení časovače na 20 ms a časovač B jako ultrazvukové počítadlo. Protože ultrazvukový senzor má měření mrtvé zóny, v návrhu programu je měření vzdálenosti větší než 30 cm doplněno ultrazvukovým senzorem a infračervený senzor je dokončen do 30 cm.

V procesu infračerveného měření se časovač A používá ke generování 0,1s přerušení pro A/D vzorkování a hodnota napětí se převádí na informaci o vzdálenosti. V hlavním programu nejprve zadejte podprogram infračervené detekce. Pokud je zjištěna překážka, zadejte podprogram pro přenos dat, zobrazení a řízení pohybu; pokud není detekována žádná překážka, vstup do podprogramu ultrazvukové detekce. Ultrazvuk detekuje překážky, poté vstupuje do podprogramů přenosu dat, zobrazení a řízení pohybu. Pokud nejsou detekovány žádné překážky, provádí se infračervená detekce cyklicky podprogramy infračervené a ultrazvukové detekce.

V. Výsledky měření
Během testu se k měření používají překážky stejné velikosti, struktury a barvy. Testy ukazují, že přesnost dosahu systému je v rozmezí 1 % od 0 do 200 cm, což dokáže přesně změřit vzdálenost překážek. Měření vzdálenosti do 30 cm se provádí infračervenými senzory a měření vzdálenosti mezi 30 a 200 cm se provádí ultrazvukovými senzory.

6. Závěr
Tato práce studuje levný, nízkoenergetický, vysoce výkonný mobilní robotický systém pro boční vzdálenost, multisenzorový systém využívající ultrazvukové a infračervené senzory, který efektivně řeší problém měření slepých úhlů v systému měření vzdálenosti jednoho senzoru; Tři skupiny senzorů jsou sestaveny na třech různých pozicích robota, takže robot může provádět úkoly ve třech různých směrech.