تجزیه و تحلیل کاربرد سنسور اولتراسونیک در سیستم فاصله ربات موبایل

I. مقدمه

در فرآیند اجتناب از موانع بلادرنگ و برنامه‌ریزی مسیر برای روبات‌های متحرک مستقل، ربات باید بر کسب اطلاعات محیطی خارجی تکیه کند، وجود موانع را حس کند و فاصله موانع را اندازه‌گیری کند. در حال حاضر، سنسورهای دوری و دوری از موانع ربات شامل سنسورهای مادون قرمز، مافوق صوت، لیزر و بصری است. سنسورهای لیزری و حسگرهای بصری گران هستند و نیازمند الزامات بالایی برای کنترلرها هستند. بنابراین، مادون قرمز و مبدل های سطح اولتراسونیک بیشتر در سیستم های ربات متحرک استفاده می شوند.

اکثر سیستم ها از یک سنسور برای جمع آوری اطلاعات استفاده می کنند، اما به دلیل مشکل اندازه گیری نقاط کور، برد سنسورهای اولتراسونیک معمولا بین 30 تا 300 سانتی متر است. در حالی که فاصله تشخیص سنسورهای فاصله مادون قرمز کوتاه است، معمولاً در ده ها سانتی متر. تا حدی می‌تواند کاستی‌های حسگرهای اولتراسونیک را که نمی‌توان از فاصله نزدیک اندازه‌گیری کرد، جبران کرد. بنابراین این سیستم از چندین سنسور مادون قرمز و اولتراسونیک برای اندازه گیری و جمع آوری اطلاعات فاصله استفاده می کند.

2. اصل و روش محدوده بندی

(1) سنسور اولتراسونیک
اولتراسوند به امواج صوتی با فرکانس تشدید بالاتر از 20 هرتز اشاره دارد. هرچه فرکانس بالاتر باشد، توانایی بازتاب قوی تر است. سنسورهای اولتراسونیک ارزان هستند و عملکرد آنها به سختی تحت تأثیر نور، گرد و غبار، دود، تداخل الکترومغناطیسی قرار می گیرد و فلز، چوب، بتن، شیشه، لاستیک و کاغذ می توانند نزدیک به 100 درصد امواج اولتراسونیک را منعکس کنند، بنابراین می توان از آنها برای تشخیص اشیا استفاده کرد.
روش اندازه گیری فاصله اولتراسونیک روش تشخیص اکو است. مبدل فرستنده به طور مداوم پالس های صدا را منتشر می کند. پس از برخورد موج صوتی با مانع، به عقب منعکس شده و توسط مبدل گیرنده دریافت می شود. فاصله مانع با توجه به سرعت صوت و اختلاف زمان محاسبه می شود. رابطه بین فاصله و سرعت صوت و زمان بیان می شود.

(2) روش‌هایی برای بهبود دقت مبدل محدوده اولتراسونیک
1. استفاده از فرکانس و طول موج مناسب: با استفاده از مبدل اولتراسونیک با قدرت بالا برای اندازه گیری فاصله، فرکانس بسیار کم است. تداخل نویز خارجی بیشتر است. فرکانس بسیار زیاد است و میرایی در طول فرآیند انتشار زیاد است. علاوه بر این، سنسور اولتراسونیک مستعد ایجاد نقاط کور در طول فرآیند اندازه گیری است و انتهای گیرنده مستعد دریافت امواج نشتی است. برای بهبود این نقص، باید طول رشته موج ارسالی را کاهش داد و فرکانس موج ارسالی را افزایش داد. با این حال، اگر طول رشته موج ارسالی خیلی کوتاه باشد، مبدل فرستنده نمی تواند برانگیخته شود یا ارتعاش برانگیخته به حداکثر مقدار نمی رسد. اگر فرکانس موج ارسالی خیلی زیاد باشد، میرایی زیاد است و فاصله کاری کاهش می یابد. آزمایشات نشان داده است که استفاده از امواج فراصوت 40 کیلوهرتز برای انتقال گروه پالس شامل 10-20 پالس است و عملکرد انتشار خوبی دارد.

2. بهبود دقت زمان بندی سیستم همچنین می تواند دقت مبدل فاصله اولتراسونیک را بهبود بخشد. هرچه فرکانس شمارش تایمر بیشتر باشد، خطای محدوده به دلیل خطای کوانتیزاسیون زمان کمتر است.

3. جبران تاخیر زمانی مدار سیستم می تواند خطای محدوده را کاهش دهد و دقت محدوده را بهبود بخشد. در فرمول، △ t زمان تاخیر، s است. s1، s2 دو فاصله اندازه گیری شناخته شده هستند، m. t1، t2 زمان اندازه گیری مربوطه، s هستند.

(3) سنسور اجتناب از موانع مادون قرمز
مادون قرمز یک موج الکترومغناطیسی بین نور مرئی و مایکروویو است. بنابراین، نه تنها دارای ویژگی های انتشار خطی نور مرئی، انعکاس، انکسار و غیره است، بلکه دارای ویژگی های خاصی از امواج مایکروویو، مانند نفوذ قوی و توانایی نفوذ به برخی مواد مات خاص و غیره است. سنسور مادون قرمز شامل یک دستگاه ساطع مادون قرمز و یک دستگاه دریافت مادون قرمز است. تمام اجسام موجود در طبیعت تا زمانی که دما بالاتر از صفر مطلق باشد تابش مادون قرمز ساطع خواهند کرد. بنابراین سنسورهای مادون قرمز باید قابلیت انتقال و دریافت قوی تری داشته باشند.

اصل اساسی محدوده سنسور اولتراسونیک مادون قرمز این است که لوله ساطع کننده نور، نور مادون قرمز ساطع می کند و لوله دریافت کننده حساس به نور، نور منعکس شده جسم مقابل خود را دریافت می کند و سپس قضاوت می کند که آیا مانعی در مقابل آن وجود دارد یا خیر. فاصله جسم را می توان با توجه به شدت نور ساطع شده قضاوت کرد. اصل آن این است که شدت نور دریافتی توسط لوله گیرنده با فاصله جسم بازتابی متفاوت است. شدت نور منعکس شده نزدیک به فاصله است و شدت نور منعکس شده دور است.

در حال حاضر یک سوئیچ فوتوالکتریک مادون قرمز که یکی از پرکاربردترین سنسورها است دارای فرکانس انتقال حدود 38 کیلوهرتز و فاصله تشخیص نسبتاً کوتاه است. معمولاً برای تشخیص موانع مسافت کوتاه استفاده می شود. این سیستم از این نوع سنسور استفاده می کند.

(4) نقص اندازه گیری فاصله مادون قرمز
تحت تأثیر ویژگی های دستگاه، سوئیچ فوتوالکتریک مادون قرمز عمومی ضد تداخل ضعیفی دارد و به شدت تحت تأثیر نور محیط قرار می گیرد. و رنگ جسم شناسایی شده و صافی سطح متفاوت است و شدت نور مادون قرمز منعکس شده متفاوت خواهد بود.

سوم، ساختار سیستم سخت افزاری

(1) ترکیب سیستم
سیستم اندازه گیری فاصله از ریز کامپیوتر تک تراشه، مدار فرستنده و گیرنده اولتراسونیک، مدار فرستنده و دریافت مادون قرمز، مدار نمایشگر دیجیتال و مدار ارتباط سریال تشکیل شده است. هسته کنترل میکروکنترلر 16 بیتی Lingyang SPCE061 A است. 2 16 بیتی قابل برنامه ریزی، تایمرهای قابل برنامه ریزی 14 بیتی، تایمرهای 2 بیتی قابل برنامه ریزی جهانی، تایمرهای 2 بیتی قابل برنامه ریزی، 2 تایمرهای 2 بیتی قابل برنامه ریزی وجود دارد. / کانال های خروجی و A/D 10 بیتی 7 کاناله روی تراشه. مبدل

(2) مدار حسگر اولتراسونیک
پورت I / O9-I / O11 Lingyang MCU به مدار سه طرفه فرستنده اولتراسونیک وصل می شود و I / O3-I / O5 به مدار دریافت اولتراسونیک سه طرفه متصل می شود. مبدل سیگنال 40 کیلوهرتز تولید شده توسط میکروکامپیوتر تک تراشه ای توسط I/O خروجی می شود و توسط مدار تقویت کننده تقویت کننده متشکل از اینورتر 4049B تقویت می شود. در نهایت، توسط مبدل فرستنده اولتراسونیک UCM40T منتقل می شود. موج صوتی به مانع برمی‌گردد و توسط مبدل گیرنده UCM40R دریافت می‌شود، سیگنال توسط یک مدار تقویت‌کننده دو مرحله‌ای متشکل از OP07 تقویت می‌شود، فرکانس انتخاب شده توسط یک رسیور صوتی حلقه قفل فاز LM567، فیلتر کردن سیگنال‌های تداخل، و در نهایت، ورودی میکرو کامپیوتر از طریق یک تراشه تکی. میکروکامپیوتر تک تراشه ای فاصله مانع را از طریق زمان انتقال موج صوتی محاسبه می کند.

(3) مدار حسگر مادون قرمز
I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU را می توان به عنوان یک مبدل A / D 10 بیتی استفاده کرد. در این سیستم، پورت های I / O0 ～ I / O2 Lingyang MCU به عنوان مبدل A / D استفاده می شود. I / O6 ～ I / O8 به سه مدار فرستنده مادون قرمز وصل می شوند و I / O0 ～ I / O2 به سه گیرنده مادون قرمز با مدار متصل می شوند. هنگامی که پورت I/O میکروکامپیوتر تک تراشه ای سطح بالایی را خروجی می دهد، با لوله شب تاب مادون قرمز TLN205 هدایت می شود و نور مادون قرمز ساطع می کند. موج نور پس از برخورد با یک مانع منعکس می شود و توسط لوله گیرنده مادون قرمز TPS708 دریافت می شود که جریانی متناسب با شدت نور تولید می کند. پس از تقویت مدار تقویت کننده دو مرحله ای تشکیل شده، ولتاژ آنالوگ 0 تا 3 ولت را خروجی می دهد که از طریق پورت A/D به میکروکامپیوتر تک تراشه ای وارد می شود. میکروکامپیوتر تک تراشه ای فاصله مانع را از طریق بزرگی ولتاژ محاسبه و قضاوت می کند.

4. طراحی نرم افزار
کامپیوتر تک تراشه SPCE061 A فرکانس سیستم را fosc = 20.480MHz انتخاب می کند، فرکانس ساعت CPU (CPUCLK) fosc / 2 = 10. 24 مگاهرتز است، منبع ساعت فرکانس 32768 هرتز را انتخاب می کند، منبع ساعت فرکانس 32768 هرتز را انتخاب می کند، منبع کلاک 6 SP2T فرکانس را انتخاب می کند. / شمارنده: TimerA و TIMERB. منبع ساعت TIMEA توسط عملیات منبع ساعت A و منبع ساعت B تشکیل می شود. منبع ساعت TImerB فقط منبع ساعت A است.
پالس اولتراسونیک 40 کیلوهرتز یک موج مربعی با سطوح بالا و پایین هر کدام 12.5 میکرو ثانیه است. شمارش ساعت CPU با 123 چرخه دستورالعمل که 12.5 میکروثانیه است به تاخیر می افتد. کامپیوتر تک تراشه ای می تواند سیگنال پالسی 40 کیلوهرتز را با تولید مداوم سطوح بالا و پایین 12.5 میکرو ثانیه تولید کند. یک گروه پالس از 20 پالس هر بار به مدت 0.5 ms منتشر می شود و انتشار پالس و زمان بازه حداقل 20 میلی ثانیه است که از پورت I / O خروجی می شود. . سیستم تایمر A را به عنوان وقفه تایمر 20 میلی ثانیه و تایمر B را به عنوان شمارنده اولتراسونیک انتخاب می کند. از آنجایی که سنسور اولتراسونیک دارای اندازه‌گیری منطقه مرده است، در طراحی برنامه، اندازه‌گیری فاصله بیش از 30 سانتی‌متر توسط سنسور اولتراسونیک و سنسور مادون قرمز در 30 سانتی‌متر تکمیل می‌شود.

در فرآیند محدوده مادون قرمز، تایمر A برای ایجاد یک وقفه 0.1S برای نمونه برداری A / D استفاده می شود و مقدار ولتاژ به اطلاعات فاصله تبدیل می شود. در برنامه اصلی ابتدا وارد زیربرنامه تشخیص مادون قرمز شوید. اگر مانعی شناسایی شد، زیربرنامه انتقال داده، نمایشگر و کنترل حرکت را وارد کنید. اگر هیچ مانعی شناسایی نشد، وارد زیربرنامه تشخیص اولتراسونیک شوید. اولتراسوند موانع را شناسایی می کند، سپس وارد زیرروال های انتقال داده، نمایش و کنترل حرکت می شود. اگر هیچ مانعی شناسایی نشود، تشخیص مادون قرمز به ترتیب زیرروال های تشخیص مادون قرمز چرخه ای و تشخیص اولتراسونیک انجام می شود.

V. نتایج اندازه گیری
در طول آزمایش، از موانعی با اندازه، بافت و رنگ یکسان برای اندازه گیری استفاده می شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که دقت محدوده سیستم در محدوده 1٪ از 0 تا 200 سانتی‌متر است که می‌تواند فاصله موانع را به دقت اندازه‌گیری کند. اندازه گیری فاصله در 30 سانتی متر توسط سنسورهای مادون قرمز و اندازه گیری فاصله بین 30 تا 200 سانتی متر توسط سنسورهای اولتراسونیک انجام می شود.

6. نتیجه گیری
این مقاله یک سیستم فاصله جانبی ربات متحرک کم هزینه، کم مصرف و کارایی بالا، یک سیستم چند حسگر با استفاده از سنسورهای اولتراسونیک و مادون قرمز را مطالعه می کند که به طور موثر مشکل اندازه گیری نقاط کور را در یک سیستم محدوده سنسور حل می کند. سه گروه حسگر در سه موقعیت مختلف ربات جمع شده اند، به طوری که ربات می تواند وظایف محدوده را در سه جهت مختلف انجام دهد.