Aplikace ultrazvukového zaměřovacího systému v mobilním robotu

Ultrazvukové senzory jsou široce používány v systémech pro vyhýbání se překážkám robotů. Na principu ultrazvukového zaměřování je navržen paralelní zaměřovací systém. Je představeno hardwarové složení a způsob softwarové realizace systému. S ohledem na jev, že vícesnímačové paralelní dosahování snadno vytváří rušení, je analyzován důvod rušení a je navrženo efektivní řešení. Systém se používá v experimentu vyhýbání se překážkám s mobilním robotem a jsou uvedeny výsledky experimentální kalibrace rozsahu měření systému.

Ultrazvukový senzor pro měření vzdálenosti je široce používán v aplikacích vyžadujících měření vzdálenosti, jako jsou mobilní roboty pro vyhýbání se překážkám a couvací radary díky jejich výhodám jednoduchého zpracování informací, vysoké rychlosti a nízké ceně. Vzhledem k vyzařovacím charakteristikám ultrazvuku používá stávající multisenzorový zaměřovací systém přenos typu round-robin ke snížení rušení. Tato metoda má velké slepé místo na vzdálenost a nelze zaručit výkon v reálném čase. Naměřená data jsou také problematická pro následné zpracování, jako je určování polohy překážky a diskriminace tvaru. Navrhují ultrazvukový systém měření vzdálenosti s více senzory pracujícími paralelně. Systém se používá pro experimenty s vyhýbáním se překážkám na inteligentních mobilních robotech a dosahuje dobrých výsledků.

1 Návrh ultrazvukového zaměřovacího systému

Existuje mnoho metod ultrazvukového měření vzdálenosti. Tento článek používá metodu doby letu, to znamená, že vzdálenost se vypočítá měřením času t ultrazvukové vlny od vysílacího senzoru přes médium šíření k přijímacímu senzoru. Jeho princip lze vyjádřit vzorcem L=vt/2, (L je vzdálenost, která má být měřena; v je rychlost šíření ultrazvukových vln ve vzduchu a t je doba průchodu). Rychlost šíření ultrazvuku ve vzduchu souvisí s teplotou prostředí a přesnost měření vzdálenosti lze zlepšit teplotní kompenzací.

1.1 Návrh hardwarového obvodu

Zahrnuje především horní počítač, procesor, obvod ultrazvukového oscilátoru, obvod pohonu, zesílení signálu, tvarovací a porovnávací obvod.

Procesor využívá jednočipový STC STC12C5410, který je kompatibilní s řadou 51. Každý jednočipový mikropočítač ovládá přes multiplexer dva ultrazvukové senzory, které jsou umístěny na přední a zadní straně robota. Hlavním úkolem jednočipového mikropočítače je měřit dobu průchodu a okolní teplotu a vypočítat vzdálenost překážek. Jednočipový mikropočítač komunikuje s hostitelským počítačem přes RS232. Horní počítač analyzuje přijatá data, aby lokalizoval překážky a řídil pohyb robota.

Obvod ultrazvukového vysílače se skládá ze dvou částí: oscilačního obvodu a budícího obvodu. Oscilační obvod je jednoduchý obvod složený z NAND brány, rezistoru a kondenzátoru, který může generovat 40kHz obdélníkový signál pro řízení ultrazvukového senzoru pro vysílání ultrazvukových vln; budící obvod generuje ultrazvukový elektrický puls s určitým výkonem k vybuzení ultrazvukového senzoru, který se skládá ze 6 hradel NOT v paralelním složení, s využitím schopnosti řízení samotného čipu. Po buzení je konečný signál přidaný do ultrazvukového senzoru obdélníková vlna s amplitudou 5V.

1.2 Návrh softwarového programu

V systému musí jednočipový mikropočítač ovládat 2 časovače, jeden slouží k měření doby průchodu a druhý slouží k nastavení přenosové rychlosti komunikace mezi jednočipem a PC pro zajištění přesnosti komunikace; ovládat port externího přerušení pro monitorování ultrazvukového přijímacího senzoru v reálném čase Zda přijímat odražený ultrazvukový signál; použijte I/O k ovládání snímače ultrazvukového vysílače, který vysílá ultrazvuk s určitou frekvencí; pomocí jediného sběrnicového protokolu pro řízení I/O pro čtení shromážděné hodnoty teploty. Jednočipový mikropočítač také potřebuje přijímat a zpracovávat příkazy horního počítače a odesílat data zpět do horního počítače v reálném čase podle požadavků horního počítače. 

The obvod snímače ultrazvukového převodníku je rozdělen do tří částí: zesílení signálu, tvarování a porovnání. Signál přijímaný ultrazvukovým přijímacím senzorem je velmi slabý, v milivoltové úrovni je potřeba signál zesílit, než jej může jednočipový mikropočítač detekovat. V tomto článku jsou použity dvoustupňové zesilovací obvody k celkovému 1000násobnému zesílení. Dvoustupňové zesilovací obvody jsou spojeny odporově-kapacitní vazbou. Výstup signálu ze zesilovače proudí do komparátoru po průchodu obvodem tvarování zdvojovače napětí. Úpravou referenčního napětí komparátoru lze změnit rozsah měření a přesnost měření měřícího systému. Výstup signálu komparátoru je připojen k INT0 jednočipového mikropočítače, čímž se spustí jednočipové přerušení.

Vícepočítačová komunikace se používá k přenosu dat mezi jednočipovým počítačem a hostitelským počítačem. PC nemá řídicí bit pro více počítačů a 

modul ultrazvukového snímače vzdálenosti potřebuje používat software k simulaci bitu TB8/RB8 mikrokontroléru. Kroky nastavení komunikačního protokolu jsou následující:

1) Nastavte MCU tak, aby byl ve stavu monitorování adresy;

2) PC odešle sadu adresních dat s paritním bitem 1;

3) Jednočipový mikropočítač posoudí, zda je přijatá adresa shodná s místní adresou. Pokud je stejná, bude adresa odeslána hostiteli, aby s hostitelem uzavřel dohodu o podání ruky;

4) Poté, co hostitel obdrží adresu, odešle data s paritním bitem 0, aby upozornil mikrokontrolér, aby poslal informaci o vzdálenosti;

5) Jednočipový mikropočítač posílá údaje o vzdálenosti. Po odeslání se vraťte ke kroku a pokračujte ve sledování adresy.

Úkolem je posílat na sériový port každých 50 ms sadu dotazovacích příkazů podle nastaveného komunikačního protokolu pro čtení informace o vzdálenosti naměřené jednočipovým mikropočítačem; lokalizovat překážku analýzou přečtených informací o vzdálenosti a zhruba posoudit tvarové charakteristiky překážky; přijmout nezbytná opatření k vyhýbání se překážkám, ovládat provoz robota a zobrazovat běžeckou dráhu. Software má dobré uživatelské rozhraní, které přispívá k ladění programu.