Detekční systém autonomního mobilního robota na bázi ultrazvukového senzoru

Rozšíření o ultrazvukový senzor je dobrým doplňkem stávajícího detekčního systému mobilních robotů. Byl plně demonstrován v experimentálních aplikacích a má určitou praktičnost při detekci překážek a nastavení pozice robota. Tuto metodu je však třeba dále zlepšovat v reálném čase a přesnosti.

 

Jeden z nejdůležitějších u ultrazvukový snímač hladiny pro mobilní roboty získat autonomní chování je získat znalosti o životním prostředí. Toho je dosaženo použitím různých měření ultrazvukovým senzorem a extrahováním informací z těchto měření. Senzory, jako jsou zrakové, infračervené, laserové a ultrazvukové senzory, byly všechny použity v mobilních robotech. Ultrazvukové senzory byly široce používány v mobilních robotických snímacích systémech kvůli jejich vysoké ceně a jednoduché hardwarové implementaci. Ultrazvukové snímače však mají také určitá omezení, především kvůli velkému úhlu paprsku, špatné směrovosti a nestabilitě měření vzdálenosti (při nevertikálním odrazu). Ke kompenzaci se proto často používá více ultrazvukových senzorů nebo jiných senzorů. Aby se vyrovnaly nedostatky samotného ultrazvukového senzoru a zlepšila se jeho schopnost získávat informace o prostředí, navrhuje tento článek detekční systém složený z integrovaného ultrazvukového senzoru a krokového motoru.

 

1 Analýza principu a metody detekce ultrazvukových senzorů

 

Základním principem ultrazvukového senzoru je posílat (ultrazvukové) pakety tlakových vln a měřit čas potřebný k přenosu paketů vln a jejich návratu do přijímače.

 

Mezi nimi je to vzdálenost mezi cílem a ultrazvukovým senzorem; c je rychlost ultrazvukové vlny (pro zjednodušení popisu se při měření vzdálenosti diskutované níže nebere v úvahu vliv teploty na rychlost vlny; t je časový interval od vysílání do příjmu.

 

Protože měření vzdálenosti ultrazvukem není bodové měření. Ultrazvukové senzory mají určité difúzní charakteristiky. Vyzařovaná ultrazvuková energie se soustřeďuje hlavně na hlavní lalok a zeslabuje ve tvaru vlny na obou stranách hlavní osy vlny s úhlem rozptylu asi 30 ° vlevo a vpravo. Ve skutečnosti je metoda výpočtu vzorce v průběhu času založena na úspěšném vertikálním odrazu ultrazvukových vln. Pro mobilního robota je však obtížné zajistit stabilitu vlastního pohybového držení těla. Využívá se metoda detekce, kdy je na těle mobilního robota upevněn ultrazvukový senzor. Když se mobilní robot odchýlí od paralelní stěny, detekční systém je často obtížné získat skutečnou vzdálenost. Navíc, když je divergenční charakteristika ultrazvuku použita k měření překážek, může poskytnout pouze informaci o vzdálenosti cílové překážky, ale ne informaci o směru a hranici cíle. Tyto vady značně omezují praktickou aplikaci a propagaci ultrazvukových senzorů.

 

Na základě teoretické analýzy a průběžného testování tento dokument používá čtyřfázový krokový motor k pohonu jediného integrovaného ultrazvukového senzoru, který se otáčí a vytváří dynamický snímací systém.

 

2 Detekční systém se skládá z integrovaného ultrazvukového senzoru a krokového motoru

 

2.1 Konstrukční řešení

 

Ultrazvukový snímač je přivařen k desce PCB, deska je postavena z ocelové trubky a druhý konec ocelové trubky je připojen k hřídeli krokového motoru a krokový motor je upevněn pod podvozkem robota. Řídicí signál ultrazvukového snímače a výstupní signál, které jsou připojeny k řídicí desce na karoserii vozidla prostřednictvím signálního vedení. Navíc je před sondu ultrazvukového senzoru přidána kuželovitá objímka z pěnového materiálu, průměr horního ústí je 22 mm, průměr spodního ústí je 16 mm, výška je 20 mm. Tímto způsobem je úhel paprsku přenášené vlny a úhel, pod kterým je odražená vlna přijímána, značně omezeny. Aby robot mohl upravit svou pozici, potřebuje určit svůj vlastní směr otáčení a referenční polohu. Jednoduchý fotoelektrický kodér složený z přímého infračerveného fotoelektrického senzoru a otočného talíře si proto vyrábíme sami. Je znázorněno rozložení 2 přímých infračervených fotoelektrických senzorů, které jsou vodorovně uspořádány na středové spojovací čáře na obou stranách karoserie robotického vozu v ° . intervalech 180 Točna a otočné rameno jsou spojeny na soustředné kružnici, jak ukazuje vnější kruh na obrázku, rysky 1, 3 stupnice jsou od sebe odděleny 27 ° ; čáry stupnice 2, 1 jsou odděleny 180 ° a čára stupnice 1 a střed ultrazvukového senzoru jsou udržovány na stejné horizontální linii. Samotné vedení I se používá jako referenční souřadnice, I a II jsou současně vedeny k určení směru otáčení a Ⅱ jeden průchod se používá jako referenční navigace, když se robot vrací podél stěny.

 

Integrovaný ultrazvukový senzor je poháněn k otáčení krokovým motorem a směr středové osy ultrazvukového senzoru kolmý k tělu robota se používá jako referenční souřadnice pro vlastní nastavení polohy. Krokový motor využívá 4-fázový čtyřdobý krokový úhel 1,8 ° a 1 krok na otáčku. Ultrazvukový senzor jednou detekuje a odešle naměřenou hodnotu do horního počítače přes sériový port.

 

2.2 Návrh hardwaru detekčního systému

 

Hardware detekčního systému se skládá hlavně z ultrazvukového generujícího obvodu, ultrazvukového přijímacího obvodu, modulu řízení rychlosti krokového motoru atd. Jádrem systému je jednočipový , který hlavně dokončuje přenos a příjem signálu, řídí krokový motor a přenáší data do hostitelského počítače robota ke zpracování.

 

Obvod ultrazvukového vysílače využívá port P11 jednočipu pro výstup impulsu vysílače a je řízen 74HC04 pro připojení ultrazvukového senzoru. Zvyšují jeho schopnost výstupního proudu a zvyšují přenosovou vzdálenost ultrazvukového senzoru.

 

Obvod pro příjem a zpracování ultrazvuku využívá integrovaný obvod. je to vyhrazený integrovaný obvod pro infračervené přijímače. Zde se CX20106 používá jako zesilovací a detekční zařízení pro příjem signálů z ultrazvukových senzorů a bylo také dosaženo dobrých výsledků. Poté, co předzesilovač přijme odražený signál z ultrazvukové přijímací sondy, zesílí signál s napěťovým ziskem asi 80 dB. Poté je signál odeslán do omezovacího zesilovače, aby se stal obdélníkovým impulsem, a poté je filtrem vybrána frekvence pro odfiltrování rušivého signálu, nosná frekvence je odfiltrována detektorem, aby se detekoval povelový signál, a po tvarování je vyveden na nízké úrovni pinu 7. Sestupná hrana pulzního výstupu z pinu 7 je přiváděna přes port INT0 mikrokontroléru.

 

Vysílací obvod a obvod přijímače integrovaného ultrazvukového snímače používají stejný vstup/výstup na kolíku snímače. Pokud vstup/výstup není izolovaný, obvod přijímače a obvod vysílače budou značně ovlivněny. Obousměrný analogový přepínač CMOS se používá k realizaci izolace vysílání a příjmu. Řídicí modul krokového motoru přebírá řídicí režim rozdělovače prstencových impulsů L297 + integrovaný obvod dvojitého H-můstku L298. P1.6, P1.7 a P2.3 jednočipového mikropočítače jsou příslušně připojeny k CW, hodinám a umožňují ovládací svorky L297 pro ovládání otáčení vpřed a vzad, hodinový signál, start a stop motoru.

 

2.3 Návrh softwaru detekčního systému

Software detekčního systému se skládá hlavně z hlavního programového modulu, servisního programového modulu přerušení a ultrazvukového senzoru s vysílacím a přijímacím modulem. Zde je vysvětlen především hlavní programový modul detekčního systému.

 

Moduly měření a řízení ultrazvukového senzoru a krokového motoru jsou řízeny různými jednočipovými mikropočítači, takže snímací systém a horní počítač mobilního robota se musí spoléhat na linku I/O portu a sériovou asynchronní komunikaci mezi jednočipovými mikropočítači. Příznak T se používá k přepínání akcí. Když jsou T=0 a OFF=0 splněny současně, jde o běžný detekční proces ultrazvukových senzorů; když T=1, OFF=0, používá se k nastavení azimutu před každým měřením cyklu; OFF=1 Čeká na další akci. Časovač T0 se používá k výpočtu času echa, takže hodnota vzdálenosti d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. jeden spouštěcí impuls je dán krokovému motoru. Poté určete, zda je další akcí detekce senzoru nebo úprava úhlu azimutu samotného robota, který vstupuje do nového cyklu.

 

3 Experiment a aplikace detekčního systému na mobilním robotu

3.1 Najděte nejbližší bod ke zdi

 

V tomto článku je myšlenka návrhu najít nejbližší bod ke stěně založena na ultrazvukovém určování vzdálenosti. Výběr metody měření vzdálenosti na časové úrovni a omezení přijímacího rozsahu ultrazvukového senzoru nastavením prahové hodnoty přijímaného echa a přidáním návleku pohlcujícího zvuk před sondu. Naměřený úhel paprsku je asi ± 20° při a

vzdálenost 75 cm a efektivní úhel, který může přijímat odražené vlny, je asi ± 40°.

 

Přibližný kuželový paprsek ultrazvukového senzoru určuje vzdálenost odrazu nejbližšího bodu pokaždé, když měří vzdálenost. I když se úhel paprsku odchyluje od tečkované čáry, skutečná vzdálenost je stále hodnota naměřená podél osy paprsku. Teoreticky by vzdálenost naměřená v rámci úhlu vysílacího paprsku měla být stejná, ale určitý vliv na měření vzdálenosti bude mít doba nárazu ultrazvukového senzoru a nastavení prahu příjmu včetně odrazu od stěny. Experimentálně měřeno v rámci určitého úhlu (přibližně ± 20° ) se hodnota měřicí vzdálenosti výrazně nemění a její sousední hodnoty jsou relativně blízko (ne více než 2 mm). Když se úhel vychýlení dále zvětšuje, výrazně se zvětšují i ​​změny sousedních naměřených hodnot. Proto je jednou metodou použití těchto dvou kritických bodů k nalezení úhlu mezi paprskem a stěnou (to jest nejbližší bod ke stěně) a krokový motor pohání ultrazvuk, aby se otáčel, aby našel tyto dva kritické body. Když jsou dvě sousední hodnoty nepřetržitě detekovány pod 2 mm, má se za to, že vstoupily do stabilní zóny, a bod, kde ke změně došlo před a po, je nastaven jako kritický bod. Všechny body v rámci tohoto kritického bodu jsou zaznamenány a poté je vypočítán střed. Střed je nejbližší bod mezi stěnou a ultrazvukovým senzorem. zobrazuje sadu naměřených dat. V rozsahu 72 °～ 108° je to stabilní oblast měření vzdálenosti. Mimo to přesahuje sousední odchylka měřené vzdálenosti 8 mm a s úhlem se dále zvětší při otočení na obě strany. Experimenty byly prováděny změnou vzdálenosti mezi integrovaným ultrazvukovým senzorem a stěnou v rozmezí 50 cm a 200 cm. V důsledku toho byla naměřená chyba vertikálního úhlu ke stěně omezena na 2 stupňové úhly.

 

3.2 Detekční systém se aplikuje na robota, aby navigoval podél stěny

 

Autonomní mobilní roboti zjišťují informace o aktuálním prostředí během pohybu. Informace o vzdálenosti zjištěné pokaždé se měří na základě aktuální polohy pohybu robota. Robot při chůzi v přímé linii podél stěny garantuje přesnost své trajektorie společným vnímáním měření vzdálenosti a vlastním držením těla. Ultrazvukové měření vzdálenosti bylo široce používáno. Po otestování vztahu mezi ultrazvukovým detekčním úhlem a měřením vzdálenosti lze pomocí ultrazvukových senzorů změřit úhel azimutu karoserie vozidla (pro určení vlastního držení těla) podle metody výpočtu nejbližšího bodu. Naměřený nejbližší bod je skutečná vzdálenost mezi robotem a stěnou. Referenční souřadnice robota jsou určeny přímým infračerveným senzorem 1 na jednoduchém kodéru a nejbližší bod je vypočítán podle informací uložených během každého kroku krokového motoru. Mezi referenčními souřadnicemi a nejbližším bodem se úhel, který urazí krokový motor, použije k určení úhlu vychýlení mezi robotem a stěnou a poté se úhel vychýlení přenese do řídicího systému pohonu kol pro nastavení úhlu azimutu.

 

3.3 Hledání překážek

 

Použití krokového motoru k pohonu průmyslový ultrazvukový senzor

 otáčet je funkčně podobné multisenzorové detekci. Mobilní roboti obvykle používají více ultrazvukových senzorů kolem těla, aby získali více informací, čímž se zvětší rozsah překážek a určí směr cíle a informace o hranicích. Naproti tomu jednou z výhod rotační metody je, že hustotu detekce lze automaticky upravit podle těsnosti překážky. Počet přídavných snímačů je omezen vlastními podmínkami a těsnost způsobu otáčení souvisí pouze s úhlem kroku krokového motoru. Zvýšení hustoty detekce může výrazně zlepšit rozlišení úhlu, čímž se posílí určení směru cíle a informace o hranicích.

 

Tento systém je rozšířením funkce ultrazvukový senzor přiblížení a dobrý doplněk ke stávajícímu detekčnímu systému mobilních robotů. Byl plně demonstrován v experimentálních aplikacích a má určitou praktičnost při detekci překážek a nastavení pozice robota. Tuto metodu je však třeba dále zlepšovat v reálném čase a přesnosti.