Anvendelse af Ultrasonic Ranging System i Mobile Robot

Ultralydssensorer er meget udbredt i robotforhindringssystemer. Baseret på ultralydsafstandsprincippet er der designet et parallelt afstandssystem. Systemets hardwaresammensætning og softwarerealiseringsmetode introduceres. Med henblik på det fænomen, at multi-sensor parallel rækkevidde er let at producere interferens, analyseres årsagen til interferens, og en effektiv løsning foreslås. Systemet bruges i det mobile robotforhindringsforsøg, og de eksperimentelle kalibreringsresultater af systemets måleområde er givet.

Ultralydssensor til afstandsmåling er meget udbredt i applikationer, der kræver afstandsmåling, såsom mobile robotter for at undgå forhindringer og bakende radarer på grund af deres fordele ved enkel informationsbehandling, hurtig hastighed og lav pris. På grund af ultralyds strålingskarakteristika bruger det eksisterende multi-sensor afstandssystem round-robin transmission for at reducere genereringen af ​​interferens. Denne metode har en stor blind vinkel for afstand, og realtidsydelse kan ikke garanteres. Måledataene er også besværlige for efterfølgende bearbejdning såsom forhindringspositionering og formdiskriminering. De designer et ultralydsafstandssystem med flere sensorer, der arbejder parallelt. Systemet bruges til forhindringsforsøg på intelligente mobile robotter, og der opnås gode resultater.

1 Design af ultrasonisk afstandssystem

Der er mange metoder til ultralydsafstandsmåling. Denne artikel anvender flyvetidsmetoden, det vil sige, at afstanden beregnes ved at måle tiden t af ultralydsbølgen fra den transmitterende sensor gennem udbredelsesmediet til den modtagende sensor. Dens princip kan udtrykkes ved formlen som L=vt/2, (L er afstanden, der skal måles; v er udbredelseshastigheden af ​​ultralydsbølger i luften, og t er transittiden). Udbredelseshastigheden af ​​ultralyd i luften er relateret til temperaturen i omgivelserne, og nøjagtigheden af ​​afstandsmålingen kan forbedres gennem temperaturkompensation.

1.1 Hardware kredsløb design

Det omfatter hovedsageligt øvre computer, processor, ultralydsoscillatorkredsløb, drevkredsløb, signalforstærkning, formgivning og sammenligningskredsløb.

Processoren anvender STC single-chip STC12C5410, som er kompatibel med 51-serien. Hver enkelt-chip mikrocomputer styrer to ultralydssensorer gennem en multiplekser, som er placeret på forsiden og bagsiden af ​​robotten. Enkeltchip-mikrocomputerens hovedopgave er at måle transittiden og den omgivende temperatur og beregne afstanden mellem forhindringer. Enkelt-chip mikrocomputeren kommunikerer med værtscomputeren gennem RS232. Den øverste computer analyserer de modtagne data for at lokalisere forhindringer og kontrollere robottens bevægelse.

Ultralydssenderkredsløbet er sammensat af to dele: et oscillationskredsløb og et drivkredsløb. Det oscillerende kredsløb er et simpelt kredsløb, der består af en NAND-port, en modstand og en kondensator, som kan generere et 40 kHz firkantbølgesignal til at drive ultralydssensoren til at udsende ultralydsbølger; drivkredsløbet genererer en elektrisk ultralydsimpuls med en vis effekt for at excitere ultralydssensoren, som er sammensat af 6 IKKE-porte i parallel sammensætning, ved at bruge selve chippens drivevne. Efter at være blevet drevet, er det endelige signal tilføjet til ultralydssensoren en firkantbølge med en amplitude på 5V.

1.2 Softwareprogramdesign

I systemet skal single-chip-mikrocomputeren styre 2 timere, den ene bruges til at måle transittiden, og den anden bruges til at indstille baudraten for kommunikationen mellem single-chippen og pc'en for at sikre kommunikationens nøjagtighed; styre en ekstern afbrydelsesport for at overvåge ultralydsmodtagesensoren i realtid Om det reflekterede ultralydssignal skal modtages; bruge en I/O til at styre ultralydstransmitterens sensor til at udsende ultralyd ved en bestemt frekvens; ved at bruge en enkelt busprotokol til at styre en I/O for at aflæse den indsamlede temperaturværdi. Enkeltchip-mikrocomputeren skal også modtage og behandle kommandoerne fra den øverste computer og sende dataene tilbage til den øverste computer i realtid i henhold til kravene fra den øverste computer. 

De ultralydstransducersensorkredsløb er opdelt i tre dele: signalforstærkning, formning og sammenligning. Signalet modtaget af den ultralydsmodtagende sensor er meget svagt, i millivoltniveauet skal signalet forstærkes, før det kan detekteres af single-chip mikrocomputeren. I dette papir bruges to-trins forstærkningskredsløb til at forstærke i alt 1000 gange. De to-trins forstærkerkredsløb er forbundet med modstand-kapacitans-kobling. Udgangssignalet fra forstærkeren strømmer ind i komparatoren efter at have passeret gennem spændingsdobbeltformningskredsløbet. Justering af referencespændingen for komparatoren kan ændre måleområdet og målenøjagtigheden af ​​afstandssystemet. Udgangssignalet fra komparatoren er forbundet til INT0 på single-chip-mikrocomputeren, hvilket udløser single-chip-afbrydelsen.

Multi-computer kommunikation bruges til at overføre data mellem single-chip computeren og værtscomputeren. Pc'en har ikke en multi-computer kontrol bit, og 

ultralydsafstandssensormodulet skal bruge software til at simulere mikrocontrollerens TB8/RB8-bit. Trinnene til indstilling af kommunikationsprotokol er som følger:

1) Indstil MCU'en til at være i adresseovervågningstilstand;

2) PC'en sender et sæt adressedata med en paritetsbit på 1;

3) Enkeltchip-mikrocomputeren bedømmer, om den modtagne adresse er den samme som den lokale adresse. Hvis det er det samme, vil adressen blive sendt til værten for at etablere en håndtryksaftale med værten;

4) Efter at værten har modtaget adressen, sender den data med en paritetsbit på 0 for at give mikrocontrolleren besked om at sende afstandsinformationen;

5) Single-chip mikrocomputeren sender afstandsdataene. Efter afsendelse skal du gå tilbage til trin for at fortsætte med at overvåge adressen.

Opgaven er at sende et sæt forespørgselskommandoer til den serielle port hver 50 ms i henhold til den indstillede kommunikationsprotokol for at læse afstandsinformationen målt af en enkelt-chip mikrocomputer; lokaliser forhindringen ved at analysere den aflæste afstandsinformation og bedømme forhindringens formkarakteristika groft; tage de nødvendige foranstaltninger til at undgå forhindringer kontrollere robottens drift og vise løbebanen. Softwaren har en god brugergrænseflade, som er befordrende for programfejlretning.