Anvendelsesanalyse af ultralydssensor i det mobile robotafstandssystem

I. Indledning

I processen med at undgå forhindringer i realtid og stiplanlægning for autonome mobile robotter, skal robotten stole på indhentning af ekstern miljøinformation, fornemme tilstedeværelsen af ​​forhindringer og måle afstanden mellem forhindringer. På nuværende tidspunkt omfatter robotforhindringer og afstandssensorer infrarøde, ultralyds-, laser- og visuelle sensorer. Lasersensorer og visuelle sensorer er dyre og kræver høje krav til controllere. Derfor infrarød og ultralydsniveautransducere bruges mest i mobile robotsystemer.

De fleste systemer bruger en enkelt sensor til informationsindsamling, men på grund af problemet med at måle blinde vinkler er rækkevidden af ​​ultralydssensorer generelt mellem 30 og 300 cm; mens detekteringsafstanden for infrarøde afstandssensorer er kort, generelt inden for ti centimeter. Til en vis grad kan det afhjælpe manglerne ved ultralydssensorer, der ikke kan måles på nært hold. Derfor bruger dette system flere infrarøde og ultralydssensorer til at måle og indsamle afstandsinformation.

2. Rangeringsprincip og metode

(1) Ultralydssensor
Ultralyd refererer til lydbølger med en resonansfrekvens højere end 20Hz. Jo højere frekvensen er, jo stærkere er reflektionsevnen. Ultralydssensorer er billige, og deres ydeevne påvirkes næsten ikke af lys, støv, røg, elektromagnetisk interferens, og metal, træ, beton, glas, gummi og papir kan reflektere næsten 100 % af ultralydsbølgerne, så de kan bruges til at detektere genstande.
Metoden til ultralydsafstandsmåling er ekkodetektionsmetoden. Den transducerende transducer udsender kontinuerligt lydimpulser. Efter at lydbølgen støder på forhindringen, reflekteres den tilbage og modtages af den modtagende transducer. Forhindringens afstand beregnes efter lydens hastighed og tidsforskel. Forholdet mellem afstand og lydhastighed og tid kommer til udtryk.

(2) Metoder til at forbedre nøjagtigheden af ​​ultrasonisk afstandstransducer
1. Brug den passende frekvens og bølgelængde: vha. højeffekt ultralydstransducer til at måle afstanden, frekvensen er for lav; den eksterne støjinterferens er mere; frekvensen er for høj, og dæmpningen er stor under udbredelsesprocessen. Derudover er ultralydssensoren tilbøjelig til at generere blinde vinkler under måleprocessen, og den modtagende ende er tilbøjelig til at modtage utætte bølger. For at forbedre denne mangel er det nødvendigt at reducere længden af ​​den transmitterede bølgestreng og øge frekvensen af ​​den transmitterede bølge. Men hvis længden af ​​den transmitterede bølgestreng er for kort, kan den transmitterende transducer ikke exciteres, eller den exciterede vibration når ikke den maksimale værdi; hvis frekvensen af ​​den transmitterede bølge er for høj, er dæmpningen stor, og arbejdsafstanden falder. Tests har vist, at brug af 40 kHz ultralydsbølger til at transmittere pulsgruppen indeholder 10-20 pulser og har god udbredelsesevne.

2. Forbedring af timing-nøjagtigheden af ​​systemet kan også forbedre nøjagtigheden af ​​ultralydsafstandstransduceren. Jo højere tællefrekvensen af ​​timeren er, jo mindre er afstandsfejlen på grund af tidskvantiseringsfejlen.

3. Kompensering af tidsforsinkelsen af ​​systemkredsløbet kan reducere afstandsfejlen og forbedre afstandsnøjagtigheden. I formlen er △ t forsinkelsestiden, s; s1, s2 er to kendte måleafstande, m; t1, t2 er den tilsvarende måletid, s.

(3) Infrarød sensor til undgåelse af forhindringer
Infrarød er en elektromagnetisk bølge mellem synligt lys og mikrobølge. Derfor har det ikke kun egenskaberne af synligt lys lineær udbredelse, refleksion, brydning osv., men har også visse egenskaber af mikrobølger, såsom stærk penetration og evne til at trænge ind i visse uigennemsigtige stof osv. Den infrarøde sensor inkluderer en infrarød emitterende enhed og en infrarød modtageenhed. Alle genstande i naturen vil udstråle infrarød stråling, så længe temperaturen er over det absolutte nulpunkt. Derfor skal infrarøde sensorer have stærkere transmissions- og modtageevner.

Grundprincippet for den infrarøde ultralydssensors rækkevidde er, at det lysemitterende rør udsender infrarødt lys, og det lysfølsomme modtagerrør modtager det reflekterede lys fra objektet foran sig, og bedømmer derefter, om der er en forhindring foran det. Objektets afstand kan bedømmes efter intensiteten af ​​det udsendte lys. Dens princip er, at intensiteten af ​​lyset modtaget af modtagerrøret varierer med afstanden af ​​det reflekterende objekt. Den reflekterede lysintensitet er tæt på afstanden, og den reflekterede lysintensitet er langt væk.

På nuværende tidspunkt har en infrarød fotoelektrisk kontakt, som er en af ​​de mest brugte sensorer, en transmissionsfrekvens på omkring 38 kHz og en relativt kort detekteringsafstand. Det bruges normalt til genkendelse af forhindringer på korte afstande. Dette system bruger denne type sensor.

(4) Fejl ved infrarød afstandsmåling
Påvirket af enhedens egenskaber har den generelle infrarøde fotoelektriske kontakt dårlig anti-interferens og er stærkt påvirket af omgivende lys; og farven på det detekterede objekt og glatheden af ​​overfladen er forskellige, og intensiteten af ​​det reflekterede infrarøde lys vil være anderledes.

For det tredje, hardwaresystemets struktur

(1) Systemsammensætning
Afstandsmålesystemet er sammensat af en enkelt-chip mikrocomputer, ultralyds sende- og modtagekredsløb, infrarødt sende- og modtagekredsløb, digitalt displaykredsløb og seriel kommunikationskredsløb. Kontrolkernen er Lingyang 16-bit mikrocontroller SPCE061 A. Der er 2 16-bit programmerbare kildetimere/timere-bit programmerbare 1432-bit programmerbare 1432-bit timere og universal-timere. input/output-kanaler og 7-kanals 10-bit A/D på chippen. konverter.

(2) Ultralydssensorkredsløb
I / O9-I / O11-porten på Lingyang MCU er forbundet til trevejs ultralydstransmissionskredsløbet, og I / O3-I / O5 er forbundet til trevejs ultralydsmodtagekredsløbet. 40 kHz-signaltransduceren, der genereres af enkelt-chip-mikrocomputeren, udsendes af I/O'en og forstærkes af booster-forstærkerkredsløbet, der består af inverteren 4049B. Endelig transmitteres det af ultralydstransduceren UCM40T; lydbølgen vender tilbage til forhindringen og modtages af den modtagende transducer UCM40R, Signalet forstærkes af et to-trins forstærkerkredsløb sammensat af OP07, frekvensvalgt af en faselåst sløjfe audiodekoder LM567, filtrering af interferenssignaler og til sidst input til en I/chip O-port mikrocomputer. Enkeltchip-mikrocomputeren beregner afstanden af ​​forhindringen gennem lydbølgens transmissionstid.

(3) Infrarød sensorkredsløb
I/O0 ～ I/O6 i Lingyang MCU kan bruges som en 10-bit A/D-konverter. I dette system bruges I/O0 ～ I/O2-portene på Lingyang MCU som A/D-konvertere. I / O6 ～ I / O8 er forbundet til tre infrarøde senderkredsløb, og I / O0 ～ I / O2 er forbundet til tre infrarøde modtagere med kredsløb. Når I/O-porten på single-chip mikrocomputeren udsender et højt niveau, leder den med det infrarøde selvlysende rør TLN205 og udsender infrarødt lys; lysbølgen reflekteres efter at have stødt på en forhindring og modtaget af det infrarøde modtagerrør TPS708, som genererer en strøm svarende til lysintensiteten. Efter at det sammensatte to-trins forstærkerkredsløb er forstærket, udsender det en analog spænding på 0 ~ 3V, som er input til single-chip mikrocomputeren gennem A/D-porten. Enkeltchip-mikrocomputeren beregner og bedømmer forhindringens afstand gennem spændingens størrelse.

4. Softwaredesign
Single-chip computeren SPCE061 A vælger systemfrekvensen fosc = 20,480MHz, CPU clock frekvensen (CPUCLK) er fosc / 2 = 10. 24 MHz, clock kilden vælger frekvensen 32768 Hz, clock kilden vælger frekvensen, og 1 bit 1H06 giver SP2CE 6. tæller: TimerA og TIMErB. Klokkilden for TIMERA er dannet af operationerne af klokkilde A og klokkilde B; urkilden til TImerB er kun urkilde A.
40 kHz ultralydsimpulsen er en firkantbølge med høje og lave niveauer, der hver optager 12,5 μs. CPU-klokketællingen er forsinket med 123 instruktionscyklusser, hvilket er 12,5 μs. Single-chip computeren kan generere et pulssignal på 40 kHz ved kontinuerligt at generere høje og lave niveauer på 12,5 μs. En pulsgruppe på 20 pulser udsendes hver gang i 0,5 ms, og pulsemissionen og intervaltiden er mindst 20 ms, som udsendes fra I/O-porten. . Systemet vælger timer A som en timer-afbrydelse på 20 ms og timer B som en ultralydstæller. Fordi ultralydssensoren har en dødzonemåling, i programdesignet, afsluttes afstandsmålingen på mere end 30 cm af ultralydssensoren, og den infrarøde sensor afsluttes inden for 30 cm.

I den infrarøde rækkeviddeproces bruges timeren A til at generere et 0,1S interrupt til A/D-sampling, og spændingsværdien konverteres til afstandsinformation. I hovedprogrammet skal du først indtaste subrutinen for infrarød detektion. Hvis en forhindring registreres, skal du indtaste datatransmission, visning og bevægelseskontrol-subrutinen; hvis der ikke detekteres nogen forhindring, gå ind i ultralydsdetektionssubrutinen. Ultralyd registrerer forhindringer og går derefter ind i underrutinerne til datatransmission, visning og bevægelseskontrol. Hvis der ikke detekteres nogen forhindringer, udføres infrarød detektering henholdsvis cyklisk infrarød og ultralydsdetektionssubrutiner.

V. Måleresultater
Under testen anvendes forhindringer af samme størrelse, tekstur og farve til måling. Test viser, at systemets afstandsnøjagtighed ligger inden for 1 % fra 0 til 200 cm, hvilket præcist kan måle afstanden til forhindringer. Afstandsmålingen inden for 30 cm udføres af infrarøde sensorer, og afstandsmålingen mellem 30 og 200 cm udføres af ultralydssensorer.

6. Konklusion
Dette papir studerer et billigt, lavt strømforbrug og højtydende mobilt sideafstandssystem til robotter, et multisensorsystem, der anvender ultralyds- og infrarøde sensorer, som effektivt løser problemet med at måle blinde vinkler i et enkelt sensorafstandssystem; De tre sensorgrupper er samlet på tre forskellige positioner af robotten, så robotten kan udføre afstandsopgaverne i tre forskellige retninger.