استفاده از سیستم محدوده التراسونیک در ربات موبایل

سنسورهای اولتراسونیک به طور گسترده در سیستم های جلوگیری از موانع روبات استفاده می شود. بر اساس اصل محدوده اولتراسونیک، یک سیستم محدوده موازی طراحی شده است. ترکیب سخت افزاری و روش تحقق نرم افزاری سیستم معرفی شده است. با هدف این پدیده که محدوده موازی چند حسگر به راحتی ایجاد تداخل می کند، دلیل تداخل تحلیل شده و راه حل موثری پیشنهاد می شود. این سیستم در آزمایش اجتناب از موانع ربات متحرک استفاده می شود و نتایج کالیبراسیون آزمایشی محدوده اندازه گیری سیستم ارائه شده است.

سنسور اولتراسونیک برای اندازه گیری فاصله به طور گسترده در برنامه هایی که نیاز به اندازه گیری فاصله دارند مانند ربات های متحرک برای جلوگیری از موانع و رادارهای معکوس به دلیل مزایای پردازش اطلاعات ساده، سرعت سریع و قیمت پایین استفاده می شود. با توجه به ویژگی های تشعشع اولتراسوند، سیستم محدوده چند سنسوری موجود از انتقال چرخشی برای کاهش تولید تداخل استفاده می کند. این روش دارای یک نقطه کور بزرگ برای فاصله است و نمی توان عملکرد بلادرنگ را تضمین کرد. داده‌های اندازه‌گیری برای پردازش‌های بعدی مانند موقعیت‌یابی موانع و تشخیص شکل نیز مشکل‌ساز است. آنها یک سیستم محدوده اولتراسونیک با چندین سنسور که به صورت موازی کار می‌کنند طراحی می‌کنند. این سیستم برای آزمایش های اجتناب از موانع روی ربات های هوشمند متحرک استفاده می شود و نتایج خوبی به دست می آید.

1 طراحی سیستم محدوده التراسونیک

روش های زیادی برای اندازه گیری فاصله اولتراسونیک وجود دارد. این مقاله روش زمان پرواز را اتخاذ می کند، یعنی فاصله با اندازه گیری زمان t موج اولتراسونیک از سنسور فرستنده از طریق محیط انتشار تا سنسور گیرنده محاسبه می شود. اصل آن را می توان با فرمول L=vt/2 بیان کرد، (L فاصله ای است که باید اندازه گیری شود؛ v سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا و t زمان عبور است). سرعت انتشار اولتراسوند در هوا با دمای محیط مرتبط است و دقت اندازه گیری فاصله را می توان از طریق جبران دما بهبود بخشید.

1.1 طراحی مدار سخت افزاری

این عمدتا شامل رایانه بالایی، پردازنده، مدار نوسان ساز اولتراسونیک، مدار درایو، تقویت سیگنال، شکل دهی و مدار مقایسه است.

این پردازنده از STC تک تراشه STC12C5410 استفاده می کند که با سری 51 سازگار است. هر میکروکامپیوتر تک تراشه ای دو حسگر اولتراسونیک را از طریق یک مالتی پلکسر کنترل می کند که در جلو و پشت ربات قرار دارند. وظیفه اصلی میکروکامپیوتر تک تراشه اندازه گیری زمان عبور و دمای محیط و محاسبه فاصله موانع است. میکرو کامپیوتر تک تراشه ای از طریق RS232 با کامپیوتر میزبان ارتباط برقرار می کند. کامپیوتر فوقانی داده های دریافتی را برای مکان یابی موانع و کنترل حرکت ربات تجزیه و تحلیل می کند.

مدار فرستنده اولتراسونیک از دو بخش تشکیل شده است: یک مدار نوسانی و یک مدار محرک. مدار نوسانی یک مدار ساده متشکل از یک گیت NAND، یک مقاومت و یک خازن است که می تواند یک سیگنال موج مربعی با فرکانس 40 کیلوهرتز تولید کند تا حسگر اولتراسونیک را به سمت انتشار امواج اولتراسونیک سوق دهد. مدار محرک یک پالس الکتریکی اولتراسونیک با قدرت مشخص برای تحریک حسگر اولتراسونیک تولید می کند که از 6 گیت NOT در ترکیب موازی با استفاده از قابلیت راندن خود تراشه تشکیل شده است. پس از راندن، سیگنال نهایی اضافه شده به سنسور اولتراسونیک یک موج مربعی با دامنه 5 ولت است.

1.2 طراحی برنامه نرم افزاری

در این سیستم، میکروکامپیوتر تک تراشه ای باید 2 تایمر را کنترل کند، یکی برای اندازه گیری زمان انتقال و دیگری برای تنظیم نرخ باود ارتباط بین تک تراشه و رایانه شخصی برای اطمینان از صحت ارتباط استفاده می شود. کنترل یک پورت وقفه خارجی برای نظارت بر حسگر دریافت کننده اولتراسونیک در زمان واقعی آیا برای دریافت سیگنال اولتراسونیک منعکس شده. از یک I/O برای کنترل سنسور فرستنده اولتراسونیک برای انتشار امواج فراصوت در فرکانس مشخص استفاده کنید. با استفاده از یک پروتکل باس واحد برای کنترل یک I/O برای خواندن مقدار دمای جمع آوری شده. میکروکامپیوتر تک تراشه ای همچنین نیاز به دریافت و پردازش دستورات رایانه بالایی دارد و داده ها را در زمان واقعی به رایانه بالایی مطابق با نیازهای رایانه بالایی ارسال می کند. 

را مدار سنسور مبدل اولتراسونیک به سه بخش تقسیم می شود: تقویت سیگنال، شکل دهی و مقایسه. سیگنال دریافتی توسط سنسور دریافت کننده اولتراسونیک بسیار ضعیف است، در سطح میلی ولت، سیگنال باید قبل از شناسایی توسط میکروکامپیوتر تک تراشه تقویت شود. در این مقاله از مدارهای تقویت کننده دو مرحله ای برای تقویت 1000 بار استفاده شده است. مدارهای تقویت کننده دو مرحله ای توسط کوپلینگ مقاومت-خازن به هم متصل می شوند. سیگنال خروجی از تقویت کننده پس از عبور از مدار شکل دهی دو برابر کننده ولتاژ به مقایسه کننده جریان می یابد. تنظیم ولتاژ مرجع مقایسه کننده می تواند محدوده اندازه گیری و دقت اندازه گیری سیستم محدوده را تغییر دهد. سیگنال خروجی توسط مقایسه کننده به INT0 میکروکامپیوتر تک تراشه ای متصل می شود و باعث ایجاد وقفه تک تراشه می شود.

ارتباط چند کامپیوتری برای انتقال داده ها بین کامپیوتر تک تراشه و کامپیوتر میزبان استفاده می شود. رایانه شخصی دارای بیت کنترل چند رایانه ای نیست و 

ماژول حسگر فاصله مافوق صوت نیاز به استفاده از نرم افزار برای شبیه سازی بیت TB8/RB8 میکروکنترلر دارد. مراحل تنظیم پروتکل ارتباطی به شرح زیر است:

1) MCU را در وضعیت نظارت بر آدرس تنظیم کنید.

2) کامپیوتر مجموعه ای از داده های آدرس را با بیت برابری 1 ارسال می کند.

3) ریز کامپیوتر تک تراشه قضاوت می کند که آیا آدرس دریافتی با آدرس محلی یکی است یا خیر. اگر یکسان است، آدرس برای ایجاد توافق دست دادن با میزبان به میزبان ارسال می شود.

4) پس از اینکه میزبان آدرس را دریافت کرد، داده هایی را با بیت برابری 0 ارسال می کند تا به میکروکنترلر اطلاع دهد تا اطلاعات فاصله را ارسال کند.

5) میکرو کامپیوتر تک تراشه ای داده های فاصله را ارسال می کند. پس از ارسال، برای ادامه نظارت بر آدرس، به مرحله بازگردید.

وظیفه ارسال مجموعه ای از دستورات پرس و جو به پورت سریال طبق پروتکل ارتباطی تنظیم شده هر 50 میلی ثانیه برای خواندن اطلاعات فاصله اندازه گیری شده توسط میکرو کامپیوتر تک تراشه است. با تجزیه و تحلیل اطلاعات فاصله خوانده شده، مانع را تعیین کنید و به طور تقریبی در مورد ویژگی های شکل مانع قضاوت کنید. اقدامات لازم برای جلوگیری از موانع را انجام دهید و عملکرد ربات را کنترل کنید و مسیر دویدن را نمایش دهید. این نرم افزار رابط کاربری خوبی دارد که برای اشکال زدایی برنامه مفید است.