Detektionssystem af autonom mobil robot baseret på ultralydssensor

En udvidelse af ultralydssensoren er et godt supplement til det eksisterende detektionssystem af mobile robotter. Det er blevet fuldt demonstreret i eksperimentelle applikationer, og det har en vis praktisk funktion i forhindringsdetektion og justering af robotposition. Denne metode skal dog forbedres yderligere i realtid og nøjagtighed.

 

En af de vigtigste u ltrasonisk niveausensor for mobile robotter til at erhverve autonom adfærd er at tilegne sig viden om miljøet. Dette opnås ved at bruge forskellige ultralydssensormålinger og udtrække information fra disse målinger. Sensorer som syn, infrarød, laser og ultralyd er alle blevet brugt i mobile robotter. Ultralydssensorer er blevet meget brugt i mobile robotsensorsystemer på grund af deres høje omkostninger og enkle hardwareimplementering. Ultralydssensorer har dog også visse begrænsninger, hovedsageligt på grund af den store strålevinkel, dårlige retningsbestemmelser og ustabilitet ved afstandsmåling (under ikke-vertikal refleksion). Derfor bruges flere ultralydssensorer eller andre sensorer ofte til at kompensere. For at afhjælpe manglerne ved selve ultralydssensoren og forbedre dens evne til at indhente miljøoplysninger, designer dette papir et detektionssystem, der består af en integreret ultralydssensor og en stepmotor.

 

1 Analyse af detektionsprincippet og metoden for ultralydssensorer

 

Det grundlæggende princip for en ultralydssensor er at sende (ultralyd) trykbølgepakker og måle den tid, det tager for bølgepakkerne at blive transmitteret og returneret til modtageren.

 

Blandt dem er det afstanden mellem målet og ultralydssensoren; c er ultralydsbølgehastigheden (for at forenkle beskrivelsen tages temperaturens indflydelse på bølgehastigheden ikke i betragtning, når den måler afstanden beskrevet nedenfor; t er tidsintervallet fra emission til modtagelse.

 

Fordi afstandsmåling med ultralyd ikke er en punktmåling. Ultralydssensorer har visse diffusionsegenskaber. Den udsendte ultralydsenergi er hovedsageligt koncentreret om hovedlappen og dæmpes i en bølgelignende form på begge sider af hovedbølgeaksen med en diffusionsvinkel på omkring 30 ° til venstre og højre. Faktisk er beregningsmetoden for formlen over tid baseret på den vellykkede, vertikale refleksion af ultralydsbølger. Det er dog svært for en mobil robot at sikre stabiliteten af ​​sin egen bevægelsesstilling. Detektionsmetoden, hvor en ultralydssensor er fastgjort på den mobile robots krop, bruges. Når den mobile robot afviger fra en parallel væg, er detektionssystemet ofte svært at få den faktiske afstand. Derudover, når divergenskarakteristikken for ultralyd bruges til at måle forhindringer, kan den kun give målforhindringens afstandsinformation, men ikke målets retning og grænseinformation. Disse defekter begrænser i høj grad den praktiske anvendelse og promovering af ultralydssensorer.

 

Baseret på teoretisk analyse og kontinuerlig testning bruger dette papir en firefaset stepmotor til at drive en enkelt integreret ultralydssensor til at rotere for at danne et dynamisk sensorsystem.

 

2 Detektionssystem består af integreret ultralydssensor og stepmotor

 

2.1 Konstruktionsdesign

 

Ultralydssensoren er svejset på printkortet, pladen er bygget op af et stålrør, og den anden ende af stålrøret er forbundet med stepmotorens aksel, og stepmotoren er fastgjort under robotchassiset. Ultralydssensorens styresignal og udgangssignal, som er forbundet til kontrolpanelet på køretøjets krop gennem signalledningen. Derudover tilføjes en kegleformet ærme lavet af skummateriale foran sonden på ultralydssensoren, diameteren af ​​den øvre mund er 22 mm, diameteren af ​​den nederste mund er 16 mm, og højden er 20 mm. På denne måde er strålevinklen for den transmitterede bølge og vinklen, ved hvilken den reflekterede bølge modtages, stærkt begrænset. For at robotten kan justere sin stilling, skal den bestemme sin egen rotationsretning og referenceposition. Derfor er en simpel fotoelektrisk encoder sammensat af en direkte infrarød fotoelektrisk sensor og en pladespiller lavet af os selv. Fordelingen af ​​2 direkte infrarøde fotoelektriske sensorer er vist, og de er horisontalt arrangeret på midtpunktsforbindelseslinjen på begge sider af robotbilens karrosseri med 180 ° intervaller. Drejeskiven og den roterende arm er forbundet på en koncentrisk cirkel, som vist ved den ydre cirkel i figuren, skalalinierne 1, 3 er adskilt med 27 ° ; 2, 1 skalalinjerne er adskilt med 180 ° , og 1 skalalinjen og ultralydssensorens centrum holdes på den samme vandrette linje. I alene ledning bruges som referencekoordinat, I og II styres samtidigt for at bestemme rotationsretningen, og Ⅱ enkelt gennemløb bruges som navigationsreference, når robotten vender tilbage langs væggen.

 

Den integrerede ultralydssensor drives til at rotere af en stepmotor, og retningen af ​​ultralydssensorens centrale akse vinkelret på robotkroppen bruges som koordinatreference for dens egen holdningsjustering. Stepmotoren anvender en 4-faset 4-takts trinvinkel på 1,8 ° og 1 trin pr. omdrejning, ultralydssensoren registrerer én gang og sender måleværdien til den øverste computer gennem den serielle port.

 

2.2 Detektionssystem hardware design

 

Detektionssystemets hardware består hovedsageligt af ultralydsgenereringskredsløb, ultralydsmodtagekredsløb, stepmotorhastighedskontrolmodul osv. Kernen i systemet er single-chippen, som hovedsageligt afslutter signaltransmissionen og -modtagelsen, styrer stepmotoren og sender data til robotværtscomputeren til behandling.

 

Ultralydssenderkredsløbet bruger P11-porten på enkeltchippen til at udsende senderimpulsen og drives af 74HC04 til at forbinde ultralydssensoren. De forbedrer dens udgangsstrømkapacitet og øger transmissionsafstanden for ultralydssensoren.

 

Ultralydsmodtagelses- og behandlingskredsløbet vedtager integreret kredsløb. det er et dedikeret integreret kredsløb til infrarøde modtagere. Her bruges CX20106 som en forstærker- og detekteringsenhed til at modtage signaler fra ultralydssensorer, og der er også opnået gode resultater. Efter at forforstærkeren har modtaget det reflekterede signal fra ultralydsmodtagersonden, forstærker den signalet med en spændingsforstærkning på omkring 80 dB. Derefter sendes signalet til den begrænsende forstærker for at gøre det til en rektangulær puls, og derefter vælges frekvensen af ​​filteret for at filtrere interferenssignalet fra, bærefrekvensen filtreres ud af detektoren for at detektere kommandosignalet, og efter formning udsendes det af pin 7 lavt niveau. Den faldende kant af pulsudgangen fra ben 7 er input gennem INT0-porten på mikrocontrolleren.

 

Senderkredsløbet og modtagerkredsløbet for den integrerede ultralydssensor bruger den samme sensorpin-indgang/-udgang. Hvis input/output ikke er isoleret, vil modtagerkredsløbet og senderkredsløbet blive stærkt påvirket. Den tovejs analoge CMOS-switch bruges til at realisere transmissions- og modtagelsesisoleringen. Trinmotorstyringsmodulet anvender kontroltilstanden for ringimpulsfordeler L297 + dobbelt H-bro strøm integreret kredsløb L298. P1.6, P1.7 og P2.3 på single-chip-mikrocomputeren er henholdsvis forbundet til CW, uret og aktiverer kontrolterminalerne på L297 til at styre fremad- og tilbagedrejning, ursignal, start og stop af motoren.

 

2.3 Design af detektionssystemsoftware

Detektionssystemets software består hovedsageligt af et hovedprogrammodul, et afbrydelsesserviceprogrammodul, og en ultralydssensor har et sende- og modtagemodul. Detektionssystemets hovedprogrammodul er hovedsagelig forklaret her.

 

Ultralydssensor- og stepmotormålings- og kontrolmoduler styres af forskellige single-chip mikrocomputere, så sensorsystemet og den øvre computer på den mobile robot skal stole på I/O-portlinjen og seriel asynkron kommunikation mellem single-chip mikrocomputere. Flaget T bruges til at skifte handlinger. Når T=0 og OFF=0 er opfyldt på samme tid, er det en almindelig detekteringsproces af ultralydssensorer; når T=1, OFF=0, bruges den til at justere azimut før hver cyklusmåling; OFF=1 Venter på næste handling. Timeren T0 bruges til at beregne tiden for ekkoet, så afstandsværdien d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. en triggerimpuls gives til stepmotoren. Bestem derefter, om den næste handling er at udføre sensordetektion eller at justere azimutvinklen for selve robotten, som går ind i en ny cyklus.

 

3 Eksperiment og anvendelse af detektionssystem på mobil robot

3.1 Find det nærmeste punkt på væggen

 

I dette papir er designideen med at finde det nærmeste punkt på væggen baseret på ultralydsmåling. Valg af tidsniveau-afstandsmålemetode, og begræns ultralydssensorens modtageområde ved at indstille modtageekkotærsklen og tilføje en lydabsorberende sleeve før sonden. Den målte strålevinkel er omkring ± 20° ved a

afstand på 75 cm, og den effektive vinkel, der kan modtage reflekterede bølger, er omkring ± 40°.

 

Den omtrentlige koniske stråle af ultralydssensoren bestemmer reflektionsafstanden for det nærmeste punkt, hver gang den måler afstanden. Selvom strålevinklen afviger til den stiplede linje, er den faktiske afstand stadig værdien, der måles langs strålemidterlinjen. Teoretisk skal afstanden målt inden for den transmitterende strålevinkel være den samme, men stødtiden for ultralydssensoren og indstillingen af ​​modtagetærsklen, inklusive reflektionen af ​​væggen, vil have en vis indflydelse på afstandsmålingen. Målt ved eksperimenter inden for en bestemt vinkel (ca. ± 20° ), ændres måleafstandsværdien ikke væsentligt, og dens naboværdier er relativt tæt på (ikke mere end 2 mm). Når afbøjningsvinklen fortsætter med at stige, øges ændringerne i tilstødende måleværdier også betydeligt. Derfor er en metode at bruge disse to kritiske punkter til at finde vinklen mellem strålen og væggen (det vil sige det nærmeste punkt på væggen), og stepmotoren driver ultralyden til at rotere for at finde disse to kritiske punkter. Når to tilstødende værdier kontinuerligt detekteres under 2 mm, anses det for at være kommet ind i stabil zone, og det punkt, hvor ændringen sker før og efter, er sat som det kritiske punkt. Alle punkter inden for dette kritiske punkt registreres, og derefter beregnes midtpunktet. Midtpunktet er det nærmeste punkt mellem væggen og ultralydssensoren. den viser et sæt målte data. Inden for 72 °～ 108° er det det stabile område for afstandsmålingen. Uden for dette overstiger den tilstødende afvigelse af den målte afstand 8 mm, og med vinklen vil den blive yderligere forstørret, når den drejes til begge sider. Eksperimenter blev udført ved at ændre afstanden mellem den integrerede ultralydssensor og væggen inden for 50 cm og 200 cm. Som et resultat blev den målte fejl af den lodrette vinkel til væggen begrænset til 2 trinvinkler.

 

3.2 Detektionssystemet påføres robotten for at navigere langs væggen

 

Autonome mobile robotter registrerer information om det aktuelle miljø under bevægelse. Den afstandsinformation, der registreres hver gang, måles på grundlag af den aktuelle robotbevægelsesstilling. Mens den går i en lige linje langs væggen, garanterer robotten nøjagtigheden af ​​sin bane gennem den fælles opfattelse af afstandsmåling og sin egen kropsholdning. Ultralydsafstandsmåling har været meget brugt. Efter at have testet forholdet mellem ultralydsdetektionsvinkel og afstandsmåling kan ultralydssensorer bruges til at måle azimutvinklen for køretøjets krop (for at bestemme dens egen holdning) i henhold til metoden til beregning af det nærmeste punkt. Det målte nærmeste punkt er den faktiske afstand mellem robotten og væggen. Robottens referencekoordinater bestemmes af den direkte infrarøde sensor 1 på den simple encoder, og det nærmeste punkt beregnes i henhold til den information, der er lagret under hvert trin i stepmotoren. Mellem referencekoordinaterne og det nærmeste punkt bruges den vinkel, som stepmotoren krydser, til at bestemme afbøjningsvinklen mellem robotten og væggen, og derefter overføres afbøjningsvinklen til hjuldrevets styresystem for at justere azimutvinklen.

 

3.3 Søg efter forhindringer

 

Brugen af ​​en stepmotor til at drive industriel ultralydssensor

 at rotere svarer funktionelt til multisensordetektion. Mobile robotter bruger normalt flere ultralydssensorer rundt om kroppen for at få mere information og derved øge rækken af ​​forhindringer og bestemme målretning og grænseinformation. I modsætning hertil er en fordel ved rotationsmetoden, at detektionstætheden automatisk kan justeres i henhold til forhindringens tæthed. Antallet af yderligere sensorer er begrænset af dets egne forhold, og tætheden af ​​rotationsmetoden er kun relateret til stepmotorens trinvinkel. Forøgelsen af ​​detektionstætheden kan i høj grad forbedre opløsningen af ​​vinklen og derved styrke bestemmelsen af ​​målretningen og grænseinformationen.

 

Dette system er en udvidelse af funktionen af ultrasonisk nærhedssensor og et godt supplement til det eksisterende detektionssystem af mobile robotter. Det er blevet fuldt demonstreret i eksperimentelle applikationer, og det har en vis praktisk funktion i forhindringsdetektion og justering af robotposition. Denne metode skal dog forbedres yderligere i realtid og nøjagtighed.